疲勞失效是工程構(gòu)件長期可靠服役所面臨的重要問題。為了評價工程構(gòu)件及各種材料的疲勞可靠性,往往采用足夠數(shù)量的疲勞試樣進(jìn)行大量長時疲勞測試,這種既耗時又耗材的疲勞測試方法在工業(yè)界和實驗室已使用了近百年。如何建立高通量即一次性對多個樣本進(jìn)行檢測的疲勞測試方法與表征技術(shù),實現(xiàn)低成本、快速評估材料疲勞可靠性是一個有待解決的關(guān)鍵問題。
近日,中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心張廣平研究員團隊在前期小尺度材料疲勞行為研究的基礎(chǔ)上,與東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張濱教授團隊合作,提出了一種材料疲勞性能高通量、快速評價的思想,設(shè)計并建立了一種能夠同時對多個小微試樣進(jìn)行對稱彎曲疲勞加載的測試系統(tǒng),并在其上對核電、高鐵、汽車等領(lǐng)域用的幾種典型工程材料進(jìn)行了高通量疲勞測試,通過對比和計算模擬進(jìn)行了驗證,建立了材料疲勞性能的高通量測試技術(shù)和方法。 據(jù)介紹,該技術(shù)既可模擬標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞極限升降法快速獲得材料的疲勞極限,也可一次性獲得應(yīng)力幅或應(yīng)變幅與疲勞壽命之間的曲線;在一周內(nèi)快速獲得材料的疲勞數(shù)據(jù),耗時僅為采用前述標(biāo)準(zhǔn)測試方法的1/4;基于經(jīng)典的Tanaka-Mura模型,科研團隊建立了該測試技術(shù)所獲得的材料疲勞極限與標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞極限間轉(zhuǎn)換因子的理論預(yù)測模型。此外,利用該技術(shù)分別對經(jīng)不同溫度長時熱暴露和經(jīng)γ射線輻照的核主泵螺栓用F316不銹鋼的疲勞性能進(jìn)行了評價,證明了該方法在工程實際的適用性,為先進(jìn)材料的疲勞性能快速評價提供了新策略。 該高通量疲勞性能測試系統(tǒng)、技術(shù)與原理的建立,不僅為核電等在役關(guān)鍵工程構(gòu)件疲勞性能測試提供了一種低成本、高效快速的新方法,且為增材制造復(fù)雜形性構(gòu)件、材料表面涂層、腐蝕層和改性層、焊縫區(qū)以及材料結(jié)構(gòu)單元和應(yīng)力、應(yīng)變集中區(qū)域等微小區(qū)域的本征疲勞性能評價提供了有效的評價策略,為在役工程構(gòu)件疲勞可靠性“體檢”提供新思路。同時,這一高通量疲勞性能測試方法和評價技術(shù)有望進(jìn)一步推動材料、構(gòu)件疲勞性能數(shù)據(jù)庫的高效建立和物理模型-數(shù)據(jù)融合驅(qū)動的工程構(gòu)件疲勞壽命的快速預(yù)測。 |