金属泡沫的随机疲劳裂纹扩展规律研究

Metal foam is a kind of typical lightweight materials with multifunction and applications to aerospace and vehicle structures. The fatigue rupture is one of the major failure modes of the structures. The inhomogeneity and initial defects in metal foam are the fundamental reason to result in the stochastic propagation of fatigue crack. However, there is a little work on the stochastic propagation law of metal foam.The objective of the present project is to investigate the stochastic propagation law of fatigue crack in metal foam,including experimental investigation of the macroscopic behavior and the microscopic mechanisms of the stochastic propagation of fatigue crack. The major concerns are the relationship between the stochastic propagation law and the inhomogeneous structure of metal foam, and the mechanical model for the stochastic propagation law of fatigue crack in metal foam. The study will extend the mechanics of fatigue, and the results expected will benefit the fatigue life prediction of metal foam and its sandwich structures in the fields of aerospace, vehicle, etc.

金属泡沫是一类典型的轻质多功能材料，广泛应用于航空、航天、车辆、舰船等重要工程领域，疲劳破坏是其最主要的失效模式之一。金属泡沫固有的结构不均性和初始缺陷特点，是其随机疲劳裂纹扩展的根本诱因。目前，未见有关金属泡沫随机疲劳裂纹扩展研究的报道。本项目以宏微观实验为主，辅以理论和数值分析，研究金属泡沫随机疲劳裂纹扩展的宏观规律，揭示其微观机理，重点考察金属泡沫结构的不均性与其随机疲劳裂纹扩展规律间的关系，建立金属泡沫的随机疲劳裂纹扩展模型，以拓展疲劳力学的研究范畴，为航天、航空等重要工程所需的金属泡沫及其夹芯结构的寿命预估等，提供必要的理论基础。

本项目以拉-拉疲劳载荷作用下闭孔泡沫铝的损伤演化和随机疲劳裂纹扩展规律为研究对象，开展了多组不同载荷水平下的铝合金泡沫疲劳寿命实验，得到了闭孔铝合金泡沫的应力-疲劳寿命曲线、裂纹长度-循环数关系曲线（a-N）和疲劳裂纹扩展速率-应力强度因子变程曲线（da/dN-∆K）。实验结果表明，铝合金泡沫的疲劳寿命具有十分显著的分散性，其疲劳寿命随着大孔尺寸和数目的增加而降低。通过疲劳过程中泡沫弹性模量的变化定义了损伤变量，实验测得了铝合金泡沫疲劳损伤随循环次数的演化规律，进而从不可逆热力学出发，得到了铝合金泡沫的损伤演化方程，并基于统计处理发展了铝合金泡沫的统计损伤演化模型。同时，通过对Paris公式的随机化处理，得到了铝合金泡沫的统计疲劳裂纹扩展模型。此外，基于实验结果的统计分析，发展了铝合金泡沫材料的统计疲劳寿命模型，构建了以可靠度为参数的铝合金泡沫概率-应力-疲劳寿命曲线（P-S-N曲线）。最后，本项目还研究了铝合金泡沫的弹性模量、抗拉强度和疲劳寿命的尺寸相关性。结果表明，铝合金泡沫的弹性模量、抗拉强度和疲劳寿命都随着试件尺寸的增加而增加。结合扫描电镜（SEM）观测分析了闭孔铝合金泡沫试件的疲劳断口，归纳了四类可能的疲劳损伤源，即：（1）泡沫外表面；（2）泡沫孔壁的最薄位置；（3）多个泡沫孔壁的连接处；（4）泡沫内部胞孔的胞面。研究表明，铝合金泡沫的疲劳寿命的分散性主要是由于泡沫的不规则性所引起的。