含碳化物的高强度钢中界面裂纹起始机制及基于能量耗散的疲劳寿命建模

《steel research international》：Interfacial Crack Initiation Mechanisms and Fatigue Life Modeling via Energy Dissipation in Carbide-Containing High-Strength Steels

高强齿轮钢在循环载荷下的疲劳失效受微结构不均匀性显著影响。研究通过晶体塑性有限元模拟、超声疲劳试验和电子显微分析发现：碳化物作为裂纹起始点源于位错堆积和碳化物-孪晶界三重结点的应力集中，且模型显示滑移局部化和几何必需位错累积会加剧应变梯度与能量耗散。建立的ΔDdis耗散与疲劳循环的非线性关联模型预测误差在70%以内，验证应力幅值500-530MPa范围。该研究为航空及汽车工业疲劳抗设计提供跨尺度机制桥梁。

　　

摘要

在高强度齿轮钢在循环载荷作用下的疲劳失效过程中，微观结构的不均匀性起着关键作用。本研究结合了晶体塑性有限元（CPFE）模拟、超声疲劳试验和电子显微镜技术，来研究碳化物引发的裂纹起始机制及疲劳寿命预测。研究发现，碳化物是裂纹的主要起始位置；这些碳化物通常由位错堆积以及碳化物与孪晶界形成的三重结处的应力集中所产生。通过使用基于实验晶粒形态和循环响应数据校准的CPFE模型，研究发现：碳化物-基体界面附近的滑移局部化现象及几何上必需的位错积累会加剧应变梯度和能量耗散。研究建立了一个非线性疲劳寿命预测框架，将增量塑性能量耗散（ΔD_dis）与疲劳循环数联系起来。该模型的预测结果在500至530 MPa的应力范围内，其误差范围仅为两倍标准差以内（即预测准确度达到70%）。这项工作将晶体尺度上的微观机制与材料的结构疲劳性能联系起来，为航空航天和汽车工业中设计抗疲劳部件提供了有益的见解。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。