微塑性在疲劳载荷下对材料响应的建模：基于微元塑性应变累积模型的研究

《Mechanics of Materials》：Modeling the role of microplasticity on material response under fatigue loading using a microelement plastic strain accumulation model

本研究针对疲劳失效中微塑性变形的累积机制，基于Jenkin-Masing模型开发了微元塑性应变累积（MPSA）模型，通过模拟线性弹性-理想塑性微元体的分布特性，揭示了低/高周疲劳下微塑性应变、棘轮效应和滞回环的演化规律，为预测材料寿命提供了新视角。

　　

疲劳失效是工程结构和机械部件设计中最关键的破坏形式之一，尤其在航空航天、交通运输等领域，材料在远低于宏观屈服强度的循环载荷下仍可能因微塑性应变累积而突然断裂。传统疲劳模型往往忽略微观尺度异质性对塑性演化的影响，导致高周疲劳寿命预测精度不足。这一领域长期存在两个核心问题：如何量化微塑性变形在亚屈服载荷下的累积效应？如何建立微观机制与宏观疲劳响应的关联？

针对这些问题，研究人员基于经典的Jenkin-Masing模型框架，创新性地提出了微元塑性应变累积（Microelement Plastic Strain Accumulation, MPSA）模型。该模型将材料视为大量平行排列的线性弹性-理想塑性微元体，其屈服强度服从对数正态分布，并通过跟踪每个微元体的塑性应变累积过程来预测失效。研究通过数值模拟系统分析了单调/循环载荷下的微塑性应变演化、应力-应变滞回环特性以及材料刚度退化规律，相关成果发表在《Mechanics of Materials》上。

关键技术方法包括：1）构建基于对数正态分布的微元体参数化模型（含屈服强度σ_y
^μ
、刚度E=70 GPa等）；2）开发微元体失效准则（临界塑性应变累积）；3）采用蒙特卡洛方法模拟10⁴
量级微元体的协同响应；4）量化不同寿命阶段（如N/N_f
）的强度与刚度退化。

Computational methodology
模型通过统计方法描述微元体屈服强度分布（σ_y
^μ
=340 MPa），每个微元体在达到临界塑性应变时失效，从而逐步改变材料的整体响应。

Results and discussion
研究发现：1）亚屈服载荷下微塑性应变呈非线性累积，解释了"不完全弹性"（Tresca第二变形阶段）的物理本质；2）滞回环演化显示，微元体逐步失效导致循环硬化/软化效应；3）刚度退化率与疲劳寿命分数（N/N_f
）呈指数关联，为寿命预测提供新指标。

Conclusions
MPSA模型首次实现了从微塑性累积到宏观疲劳失效的全过程模拟，其优势在于：1）揭示微观异质性对疲劳散射的影响机制；2）突破传统模型仅考虑单周次损伤的局限；3）为多尺度疲劳设计提供计算框架。该研究不仅深化了对Jenkin-Masing类模型的认识，更为高周疲劳寿命的精确预测开辟了新途径。