超高周疲劳短裂纹晶内低速扩展机理的原位观测研究

Short crack propagation behavior is distinguishing with long crack propagation under cyclic loading. In the very high cycle fatigue (VHCF) regime, the stage of short crack formation and propagation is an important part in the total fatigue life. Understanding the short crack propagation behavior will improve the fatigue life prediction and total life design theory. The project will selecting two representative metal large scale crystalline specimens, employing ultrasonic fatigue plus in-situ microscope observation and infra imaging technology to study artificial short crack propagation behavior in single crystalline by combining Digital Image Correlation technology(DIC), fractographic analysis, thermal dissipation analysis, and microstructure deformation analysis. The project will discuss the role of microstructure, mechanical properties, crack length and fatigue stress to the short crack propagation and propose a short crack propagation mechanism and prediction model. To establishing the relation between crack propagation rate, strain and thermal dissipation by analyzing the deformation and temperature field at crack tip. The study is meaningful for raising the precision of life prediction, extending the IR-NDT inspection technology and supporting multi-scale computational micromechanics.

循环载荷下短裂纹的起裂门槛与扩展不同于长裂纹，但机理研究不足。在超高周范畴，短裂纹起裂与扩展是疲劳总寿命的重要部分。掌握短裂纹的扩展规律对于提升寿命预测水平和完善全寿命设计理论等方面作用突出。本项目用两种代表性金属的超大晶粒试件，采用超声疲劳试验结合原位红外热成像和显微观测，研究预制短裂纹在单个晶体内的低速扩展行为。是综合数字图像相关分析、热耗散分析和微观组织演化分析等方法的实验研究。项目通过对比实验，量化短裂纹近门槛值扩展速率，研究短裂纹的晶内低应力扩展规律；探讨微观组织结构、材料力学性能、缺口长度和应力水平对短裂纹扩展的影响，提出物理意义明确的短裂纹低应力疲劳扩展机理并建立相应的寿命预测模型；分析不同载荷周次下的裂尖变形及温度场变化，阐明短裂纹扩展与裂尖应变和热耗散的关系。本项目的开展对提升工程结构寿命预测的精准度，拓展红外非接触监控技术，支撑多尺度计算细观力学研究有重要现实意义。

长寿命疲劳损伤失效及检测是航空航天等重大装备亟待解决的一个迫切问题，鉴于超高周循环所对应的载荷水平，对长寿命疲劳裂纹的研究及诊断相对滞后。尽早在损伤初期发现、跟踪、评估疲劳裂纹可在较大程度避免严重灾害事故及损失。本项目采用超声疲劳试验结合原位红外热成像和显微观测技术研究了两种晶体结构代表性金属试件在超高周疲劳载荷下短裂纹低速扩展行为。通过对光滑试件及含缺口薄板试件的初始损伤及裂纹萌生扩展的观测，细化了超高周疲劳裂纹扩展的不同的阶段，测定了短裂纹扩展速度，发现短裂纹从起始到转入长裂纹扩展速度总体降低，可低至埃米量级；归纳了显微组织对短裂纹扩展的影响， 裂纹扩展至晶界或晶内局部残余应力处发生转折，与长裂纹沿裂尖塑性区扩展不同，宏观上呈平直断口；阐明了短裂纹扩展机理，提出了基于粘弹性能释放的短裂纹扩展，并造成长寿命疲劳裂纹初期的解理断面。随着粘弹性能的降低，短裂纹扩展速率降低。建立了对于短裂纹起始阈值的基于弹性模量和原子间距两个明确物理参数的计算模型。发现了短裂纹向转变时的热耗散阈值，该阈值除了可用于判定超高周疲劳裂纹是否已转入稳态长裂纹扩展，也可用于表征裂纹宏观塑性区范围。同时项目开展了新型工程材料的短裂纹扩展及断裂行为研究。项目成果可进一步转化用于提升工程结构寿命预测的精准度，拓展非接触疲劳损伤监控技术，具有较好学术价值和工程意义。