《European Journal of Mechanics - A/Solids》：Uncover the influence of the frequency on the self-heating and fatigue limit estimation of the 316L laser-welded joints based on infrared thermography
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本研究的主要贡献可总结如下：•揭示了频率对快速疲劳极限确定的影响。•在不同测试频率下，FFE值保持不变。•引入Granato-Lücke位错模型来解释自热效应背后的位错运动，这一结论得到了TEM和EBSD实验结果的验证。引言在承受循环载荷的工程构件和结构中，疲劳失效是导致其失效的
本研究的主要贡献可总结如下：
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揭示了频率对快速疲劳极限确定的影响。
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在不同测试频率下，FFE值保持不变。
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引入Granato-Lücke位错模型来解释自热效应背后的位错运动，这一结论得到了TEM和EBSD实验结果的验证。
引言
在承受循环载荷的工程构件和结构中，疲劳失效是导致其失效的主要原因。因此，准确高效地评估材料的疲劳性能对于确保设计安全及预测其使用寿命至关重要[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。传统的疲劳评估方法，如阶梯法，虽然可靠，但耗时较长[8]、[9]。通常而言，用于评估疲劳性能的传统实验方法，尤其是针对高周疲劳的情况，往往需要数周时间才能在单一规格的试样和加载条件下确定疲劳极限以及S-N曲线[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。为了解决这些问题，人们提出了多种概念和方法，旨在更高效地确定疲劳特征[10]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。
近年来，红外热成像技术作为一种极具前景的无损检测方法逐渐兴起[22]、[23]、[24]。众所周知，疲劳损伤的积累是一个涉及能量耗散的不可逆热力学过程[25]、[26]、[27]。在此过程中，大部分耗散的能量会转化为热量，从而导致试样表面出现温度波动[28]。基于能量耗散理论[29]，红外热成像技术可以通过监测循环加载过程中试样表面的温度变化，进而快速估算疲劳极限[24]、[30]、[31]，并将这种热响应与材料内部的能量耗散机制联系起来[9]、[24]、[32]、[33]、[34]。
众所周知，加载频率是直接影响热成像响应的关键实验参数[20]。能量耗散率与加载频率密切相关，不同的频率会显著影响热量的产生、热传导以及由此产生的温度上升幅度[21]、[28]、[35]、[36]、[37]、[38]。因此，通过基于红外热成像技术的典型双线性方法所确定的疲劳极限，会很大程度上取决于所选的测试频率。这种频率对温度上升或其他热力学指标（如热力学熵增）的影响，一直备受研究人员关注，因为它们会直接影响疲劳极限预测的准确性。
然而，尽管这一重要性已被认可，但关于加载频率对基于红外热成像技术的疲劳极限评估的定量影响，目前相关研究仍然十分缺乏。大多数研究都是在单一频率下进行的，或者没有进行全面的跨频率分析[18]、[21]、[33]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]。由于缺乏对频率效应的统一认识，这就形成了一个重要的研究空白。这一问题阻碍了能够考虑频率变化的标准化测试方法的开发，从而严重限制了这一具有潜力的实验室技术在实际工程中的应用。若要让红外热成像技术能够在加载条件多样的实际应用中发挥可靠的作用，就有必要建立加载频率、热响应与预测疲劳极限之间的明确关联。
本研究旨在填补这一空白，通过系统研究加载频率对利用红外热成像技术评估疲劳极限的影响。研究重点在于量化频率变化如何改变温度变化趋势，进而影响最终确定的疲劳极限。此外，还需探讨频率对基于热力学熵和断裂疲劳熵的疲劳极限评估的影响。同时，还借助EBSD和TEM技术进一步研究了微观结构变化与疲劳自热现象之间的潜在关系。期望这些研究结果能为优化红外热成像技术方法提供理论基础，提升其在实际工程应用中的准确性和可靠性。
章节摘要
高周疲劳过程中的能量耗散
众所周知，在疲劳过程中，通过红外热成像技术在试样表面检测到的温度变化是由能量耗散引起的，随后部分产生的热量会通过传导、对流和辐射等方式释放到环境中[39]。总体而言，反复加载会导致内部摩擦以及不可逆的、即非弹性变形，从而产生热量。不过，内部摩擦并不会影响材料的损伤程度和疲劳寿命，
材料与方法
本研究采用商用冷轧316L不锈钢，通过激光焊接方法制备焊接试件。焊接过程以10毫米/秒的速度进行，使用的激光器为MFSC-6000型光纤激光器。本实验中使用的氩气保护气的流量为15升/分钟，纯度为99.99%。316L奥氏体不锈钢的化学成分详见表1。
焊接接头熔合区、热影响区及基体的微观结构
利用EBSD技术获取的数据，包括IPF图、晶粒尺寸、带状对比度以及核平均错向图，用于分析316L激光焊接接头的熔合区、热影响区以及基体的微观结构，如图4所示。第一焦点位于熔合区内。如图4a所示，由于激光焊接过程中冷却速度较快，熔合区的晶粒呈现明显的柱状结构。这类柱状晶粒通常是从熔合线的边界处开始形成的
基于位错运动模型阐述损伤演变过程
在本节中，将基于图16所示的位错运动模型来阐述自热机制。如图16a所示，点缺陷会束缚位错线。通常认为，位错线内部的约束点属于弱约束位置，而位错线两侧的约束点则属于强约束位置[76]、[77]。总体而言，应力中的临界值存在于位错的运动过程中
结论
在本研究中，我们对316L激光焊接接头在多种不同频率下的连续多阶段加载条件进行了疲劳试验。同时运用红外热成像技术监测焊接接头的实时温度上升情况，旨在短时间内获得不同频率条件下的疲劳极限。此外，为了进一步验证频率对疲劳极限评估的影响，我们还进行了更高频率下的传统阶梯法疲劳试验。一些
各作者的贡献说明
刘亚良： 方法设计、实验研究、数值分析。王凌宇： 实验研究、数值分析。赵俊杰： 数据可视化、实验研究、数值分析。张赫： 方法设计、实验研究、数值分析、数据整理。陈明华： 文章撰写与修改、实验研究、资金申请。吴福发： 结果验证、实验研究、资金申请。魏伟： 文章撰写与修改、初稿撰写、数据可视化、结果验证、方法设计、实验研究、资金筹集
利益冲突声明
本篇论文的撰写过程中不存在任何利益冲突，且已获得本文所有作者的同意。
致谢
作者们感谢以下机构的支持：中国国家自然科学基金（项目编号：52471134）、辽宁省科技计划联合项目（自然科学基金博士研究启动项目，项目编号：2024-BSLH-130）、辽宁省教育厅的2025年度基础研究项目（项目编号：LJ212510154005）、辽宁省教育厅的基础科学研究项目（项目编号：LJ212410154008）等
魏伟|赵俊杰|张赫|刘亚良|王凌宇|陈明华|吴福发
