《Journal of Alloys and Compounds》：Finite element modeling and experimental validation of fatigue life for SiC-reinforced Al-6061 composites under three-point bending
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金属基复合材料疲劳性能预测方法研究。通过ABAQUS-FE-SAFE耦合分析，建立Al-6061/SiCp复合材料三点弯曲疲劳寿命预测模型，实验验证表明20vol%和30vol% SiC复合材料在1950-1550N载荷下的疲劳寿命分别为509-26590和606-16364次，数值预测与实验结果误差小于20%。
Mirza Muhammad Abu Bakar Baig|杨伟王|郭炬李|Saeed Jamal|Tahir Mehmood Bhatti|Fatima Shehzadi|张芳洲|Muhammad Anas|Muhammad Arshad Jamal
北京工业大学材料科学与工程学院，北京100081，中国
摘要
在需要高强度和耐久性的应用中，金属基复合材料（MMCs）的疲劳性能至关重要，尤其是在循环载荷作用下。本研究通过结合ABAQUS软件中的FE-SAFE疲劳模块和有限元分析（FEA），建立了一种预测Al-6061/SiCp复合材料疲劳寿命的技术。对添加了20%和30%体积分数SiC的复合材料进行了三点弯曲疲劳试验，以验证该寿命预测方法的准确性。疲劳实验在15 Hz的频率下进行，载荷在1950 N到1550 N之间变化。结果表明，SiC的体积分数显著影响材料的疲劳性能。添加了20% SiC的复合材料疲劳寿命提高了509至26,590循环；而添加了30% SiC的复合材料在1950 N到1550 N的循环载荷下疲劳寿命为606至16,364循环。应用应变-寿命方法及Morrow修正后的FE-SAFE预测结果与实验结果非常吻合，误差在两倍以内。这种数值-实验方法为Al-6061/SiC复合材料的疲劳寿命预测提供了一种可靠的技术，有助于设计出在循环载荷下具有更好性能的结构性材料。
引言
金属基复合材料（MMCs）由于其优异的机械性能（如高强度重量比、更好的耐磨性和出色的热稳定性）而在近几十年受到了广泛关注。基于铝的复合材料在航空航天、汽车和结构应用中尤为突出，因为它们具有轻质、耐腐蚀和易于加工等优点[1]、[2]、[3]、[4]。用碳化硅（SiC）等陶瓷颗粒增强铝合金（尤其是Al-6061）可以显著改善其机械性能，而不会大幅降低其延展性[5]、[6]、[7]。然而，Al/SiC复合材料的疲劳行为是一个主要问题，因为在航空航天和汽车应用中循环载荷可能导致裂纹的产生，最终引发失效。由于超过80%的断裂是由疲劳引起的，因此这一直是当前研究的重点[8]、[9]。疲劳失效通常分为低循环疲劳（LCF）和高循环疲劳（HCF），两者在应力水平、变形模式和疲劳寿命上有所不同。LCF涉及高应力和塑性变形，失效发生在大约10^4到10^5循环之内；而HCF发生在较低应力下，主要表现为弹性变形，寿命超过这一范围[10]、[11]、[12]、[13]。Winter等人研究表明，用SiC增强粉末冶金2124 Al合金的应力控制高循环疲劳行为强烈依赖于颗粒大小和温度，其中添加了25%体积分数的3 μm SiC在室温和180 °C下使疲劳强度提高了约40%[15]。相比之下，Li等人发现，在应变控制的低循环疲劳条件下，添加了15%体积分数SiC颗粒的喷涂沉积Al-Si复合材料表现出明显的循环硬化现象，符合Coffin-Manson关系，并且由于颗粒-基体脱粘导致疲劳寿命降低[16]。SiC增强AMCs的LCF性能受到多种因素的影响，包括增强颗粒的大小和体积分数，以及共晶硅和基体的微观结构。Sim等人[17]报告称，添加了20% SiC体积分数的复合材料表现出更明显的应变硬化和更短的疲劳寿命，这是因为增强颗粒的脆性降低了疲劳抵抗力。这些研究结果表明，颗粒增强对Al基复合材料LCF行为的影响已被广泛分析，强调了增强颗粒在复合材料中的循环塑性应变响应和断裂机制[18]、[19]、[20]、[21]。Uyger等人[22]研究了体积分数和应变比对SiCp/AA2124-T4复合材料LCF性能的影响，发现疲劳裂纹通常在应力集中区域开始产生，且循环响应受应变比的显著影响。尽管这些实验对单轴载荷下的LCF行为提供了重要见解，但对于结构应用而言，了解复合材料在复杂应力状态（如弯曲疲劳）下的性能是必不可少的。
三点弯曲（TPB）疲劳通过在一个循环中同时施加拉伸和压缩载荷，在试样内部产生显著的应力梯度，为结构部件提供了更准确的加载条件[23]。TPB中的疲劳过程复杂，包括应力集中、缺陷或材料不均匀性处的裂纹起始，以及循环载荷下的裂纹扩展[24]、[25]。Xuesong等人[26]对定向凝固的Ti46Al7Nb合金在TPB疲劳下的研究表明，带缺口试样的应力集中显著降低了疲劳极限，其独特的裂纹起始和扩展机制由层状微观结构决定。弯曲疲劳载荷和应力幅度独立影响材料的疲劳行为和整体性能。Xueshu等人[27]使用SD100电液伺服疲劳机在5 Hz的频率下进行了TPB测试，发现在腐蚀性环境中载荷从10.9 kN增加到14.0 kN时，试样的疲劳寿命从91,035循环减少到25,291循环。Juraj等人[28]使用ZWICK/ROELL Amsler 150HFP 5100共振脉冲疲劳测试机在100 Hz的频率下进行了TPB疲劳实验，发现应力幅度从287 MPa增加到522 MPa时，疲劳寿命从2.0 × 10^7循环减少到1.6 × 10^5循环。然而，实验性的TPB疲劳测试耗时较长、成本较高，并且受限于特定的加载条件。因此，这些实验方法不适用于优化新的复合材料设计或在广泛条件下准确估计疲劳寿命。
鉴于这些实验局限性，有多种疲劳寿命预测模型可用于描述循环载荷下的损伤，这些模型大致分为基于应力-寿命、应变-寿命、断裂力学和累积疲劳损伤的方法，每种方法在假设、材料输入和适用疲劳范围上有所不同[29]。在CFD中，损伤积累通过线性或非线性公式进行建模。线性模型（如Miner规则）假设损伤线性累积且与载荷顺序无关，这在变载或复杂载荷下会降低准确性[30]。为了解决这个问题，基于非线性CDM的模型将疲劳表示为一个随循环而变化的内部损伤变量，从而能够考虑顺序和交互效应。例如，Batsoulas等人提出了一个基于CDM的累积损伤模型，用于捕捉不同载荷下的非线性损伤积累[31]。虽然CDM方法也可以表示刚度退化和多轴效应，但通常需要大量的实验校准和较高的计算成本。相比之下，应变-寿命方法（如Coffin-Manson/Basquin方法）结合Morrow模型等平均应力修正，通过循环应变幅度和校准的材料参数来预测疲劳寿命，隐式地捕捉损伤而无需明确的损伤演变规律。ABAQUS中实现的FEM允许对承受弯曲载荷的复杂几何形状进行详细的应力分布和损伤起始模拟[32]、[33]。从FEM结果预测疲劳寿命包括两个关键步骤：首先计算结构的应力-应变响应，然后利用该响应估计失效所需的循环次数。第二步通常使用Dassault Systèmes SIMULIA的FE-SAFE/TURBOlife?等行业标准软件工具[34]。许多研究采用了不同的方法来分析复杂应力分布下的疲劳寿命，其中将有限元模拟的应力-应变结果导入FE-SAFE已被证明是可行且可靠的，因此广泛用于结构部件的疲劳寿命评估[35]、[36]、[37]。Anwar等人[38]通过将ABAQUS应力结果导入FE-SAFE并在完全反向载荷（R = ?1）下使用最大主应变算法及Morrow平均应力修正来研究球墨铸铁的疲劳寿命预测。Weijie等人[39]使用FE-SAFE的应力集中模型预测了在R = 0.5、5 Hz和210 MPa条件下的腐蚀钢丝的疲劳寿命，与实验数据有很好的一致性（R^2 ≈ 0.975），证实了FE-SAFE在结构疲劳评估中的可靠性。尽管先前的研究已经证明了基于FEM的疲劳寿命预测在不同材料和载荷条件下的可靠性，但对于三点弯曲下的颗粒增强铝复合材料的关注仍然有限。这需要结合数值和实验方法来精确评估疲劳性能。
本研究的目的是建立一种计算技术，用于预测Al-6061/SiCp复合材料的疲劳寿命。首先使用ABAQUS进行有限元分析，模拟添加了20%和30%体积分数SiC的复合材料的应力-应变行为，然后利用这些结果在FE-SAFE中进行疲劳寿命评估。为了验证所提出方法的可靠性，在1950 N到1550 N的循环载荷条件下进行了实验性的TPB疲劳测试。这种组合方法能够验证基于模拟的疲劳寿命预测，并为设计具有更好疲劳性能的MMCs提供了基础。
部分摘录
实际微观结构的一轴拉伸建模
图1(a, d)中的SEM显微图像在ImageJ中进行了处理，转换为二值图像，并使用我们之前工作中使用的自定义Python脚本提取了颗粒几何形状[40]，从而构建了图1(b, e)中的20%和30%体积分数SiC增强铝复合材料的ABAQUS模型，以研究其微观力学行为和断裂机制。
在基体-增强界面处加入了零厚度粘性元素，裂纹起始遵循Rankine准则
三点弯曲的有限元模拟
图10和图11展示了添加了20%和30%体积分数SiC颗粒的Al-6061复合材料的TPB测试的有限元模拟结果，分析了从九个模拟案例中选取的三种加载条件（1950 N、1750 N和1550 N）。每行显示了等效应力、第一主应力和第一主应变等值线。在1950 N条件下，20%体积分数SiC复合材料的最大等效应力为289.8 MPa，相对误差范围分别为13.69%和20.56%
结论
本研究通过将ABAQUS中的有限元模拟与FE-SAFE的疲劳寿命分析功能相结合，建立了一种Al-6061/SiCp金属基复合材料的疲劳寿命预测方法。所开发的框架使用三点弯曲模拟的应力-应变数据作为输入，进行基于应变-寿命的疲劳评估，能够定量评价不同增强含量复合材料的疲劳性能。研究的主要发现如下
CRediT作者贡献声明
张芳洲：可视化。Muhammad Anas：可视化。Muhammad Arshad Jamal：可视化。Mirza Muhammad Abu Bakar Baig：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。杨伟王：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、软件、资源管理、项目协调、资金获取、正式分析。郭炬李：撰写——审阅与编辑
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金-广西联合基金（U20A20276）的支持。
