晶粒尺度下变形铝镁合金低周疲劳损伤的机理研究

Ultrafine-grained Al-Mg alloy with good mechanical properties has been widely applied. However, low cycle fatigue life of ultrafine-grained Al-Mg alloy is very short. Once subjected to cyclic heavy loading effects, materials in part or as a whole are quickly lost bearing capacity of stress in instantaneous,and catastrophe will also be happen. To solve this question, the interaction of cyclic plasticity and fatigue damage is considered within the framework of crystal plasticity theory and continuum damage mechanics, and a fatigue damage coupled elastic-plastic crystal cyclic constitutive model is proposed on the basis of low cycle fatigue test data of ultrafine grain Al-Mg alloy. Besides, a integration scheme combined with explicit forward gradient method and tangent stiffness method is used, and numerical simulation of the constitutive model is carried out. Therefore, low cycle fatigue behaviors of ultrafine grain Al-Mg alloy can be reasonably described, and the relations between the microscopic failure mechanisms of material and the parameters of microstructure and failure criterion can be ascertained, and low cycle fatigue damage mechanism of ultrafine grain Al-Mg alloy can also be revealed. Lastly, a theory analysing method incorporating with test and numerical simulation is developed. After the project is completed, crystal plasticity theory will be further improved, and a new theory will be built to help reliability design and fatigue life prediction of materials and component.

综合性能优异的变形铝镁合金应用广泛，但变形铝镁合金低周疲劳寿命较短，一旦遭受循环重载荷的作用，材料局部或整体的应力承载能力会在瞬间迅速丧失，引发灾难性事故。本项目针对这一问题，在晶体塑性理论与损伤力学的框架内，考虑循环塑性与疲劳损伤的相互作用，结合变形铝镁合金低周疲劳的实验数据建立耦合疲劳损伤的弹塑性晶体循环本构模型，采用显式向前梯度法并结合切线刚度法的积分方案开展晶体循环塑性的有限元数值模拟，描述变形铝镁合金低周疲劳的行为过程，探明材料微观变形破坏机制与材料微观结构及微观破坏准则相关参数之间的关系，揭示变形铝镁合金低周疲劳的损伤机理，进而建立起一种科学实验与数值模拟相结合的理论分析方法。该项目的完成将使晶体塑性理论得到进一步完善和补充，为材料与构件的可靠性设计及寿命分析提供新的理论依据。

轻量化的需求推动了铝镁合金的大量应用，同时也带动了超细晶铝镁合金的发展。超细晶铝镁合金的高周疲劳寿命虽然得到了极大的改善，但是低周疲劳寿命却严重恶化。在循环重载荷的作用下，超细晶铝镁合金的机械零部件的应力承载能力就会在瞬间迅速丧失，引发灾难事故。为此，主要开展了如下研究内容：（1）变形铝镁合金的制备及组织表征；（2）变形铝镁合金的低周疲劳行为以及组织和损伤演化的实验研究；（3）变形铝镁合金低周疲劳下的循环本构理论研究；（4）变形铝镁合金低周疲劳损伤的数值模拟研究。并取得了一些研究结果：（1）通过有限元仿真及实验研究构建了固溶处理后的6061铝镁合金始锻温度为300°且每道次的压下量为30%的多向冲击锻造工艺，经过4个循环12道次制备出平均晶粒尺寸为1μm的超细晶铝镁合金组织；同样也采用了等径角挤压技术，8道次后平均晶粒尺寸为1.08μm（2）通过应变控制循环塑性试验发现超细晶铝镁合金呈现循环软化，借助于EBSD技术其循环软化可能归因于再结晶，这是因为小角度晶界减少而大角度晶界在增加；（3）在晶体塑性理论的指导下，根据面心立方(FCC)金属材料的位错滑移机制，在Gerard所发展的晶体循环塑性本构框架下引入Hall-Petch效应，建立一种综合反映超细晶材料各向同性硬化、随动硬化、晶粒尺寸效应的晶体循环塑性本构模型，并编写了UMAT予以验证；（4）在晶体循环塑性理论框架下将织构和延性损伤相结合，研究循环载荷下的织构演化，同时又探讨损伤演化和初始织构的关系。以上研究成果基本揭示了超细晶铝镁合金循环塑性的变形机制及损伤机理，使晶体循环塑性理论得到了完善和补充，为材料与构件的可靠性设计及寿命分析提供了一定的理论依据。