湖南大学在机械强度与可靠性设计领域研究取得重要进展

题目:湖南大学在机械强度与可靠性设计研究方面取得重要进展。

近日，湖南大学机械与交通工程学院Jo Jiang教授团队和德国马普学会Dierk Raabe院士团队取得重要进展，成果在在线发表。提出了相变介导疲劳的科学新概念和物理机制，深刻揭示了马氏体相变对疲劳裂纹扩展影响的两面性，阐明了相变疲劳的多尺度效应。这一机械论突破为新一代抗疲劳材料的设计提供了全新的理念和技术路径，有望用于构建基于材料失效物理学的多尺度寿命模型，可应用于航空空、航天、核电、高铁等重要工业领域。

疲劳失效是机械设备结构失效的首要原因，约占所有机械故障的90%，带来巨大的经济损失和安全隐患。为了避免疲劳破坏的发生，需要深入了解控制疲劳损伤的微观物理机制，这可能与材料在静载荷下的力学行为有显著的不同。一个典型的例子是形变诱发马氏体相变。虽然这种机制早已被公认为是合金材料最有效的强化机制之一，但其对材料疲劳性能的影响仍不清楚，长期以来存在许多相互矛盾的机制解释。

图1马氏体相变对材料疲劳裂纹扩展速率的影响

本工作以一种新型中锰TRIP钢为研究材料，该材料可在较大范围内调节奥氏体含量和力学稳定性，从而有效控制马氏体相变倾向，这为通过直接比较两种相变倾向差异显著的材料的力学行为来发现相变的疲劳效应提供了理想条件。此外，本工作还采用了先进的原位SEM疲劳实验技术，可以实时观察疲劳裂纹扩展及其周围的微观结构演变，从而获得疲劳过程的完整细节。由于新材料和新技术的采用，人们发现了一些关于马氏体相变效应的有趣现象和结果。

研究表明，马氏体相变对疲劳裂纹扩展的影响具有两面性。在短裂纹阶段，马氏体相变可以起到抑制疲劳裂纹扩展的有益作用，可以将疲劳裂纹扩展速率降低2个数量级。然而，在长裂纹阶段，马氏体转变在加速疲劳裂纹扩展中起到相反的作用(图1)。对机理的进一步研究发现，马氏体相变可诱发两种拮抗疲劳机制，即抑制裂纹扩展的相变介导的止裂(图2)和促进裂纹扩展的相变介导的裂纹聚结(图2)，它们分别在短裂纹阶段和长裂纹阶段起主导作用。深入分析了这两种疲劳机制产生的原因，证明了它们来自相变产物马氏体“硬而脆”的内在特性，而不是来自相变过程本身(如裂纹闭合效应)。

图2相变介导裂纹停滞效应。

揭示相变疲劳效应的双重性，可以用来合理解释和调和一些看似矛盾的疲劳报道，并有望用于新型亚稳态微结构梯度材料的设计，提高材料的抗疲劳性能。相变中介概念的提出是对传统相变疲劳理论的重要补充，有助于深入理解亚稳态合金材料疲劳损伤的微观物理机制。

本文的第一作者是湖南大学从事机械结构强度研究的王晓刚教授。2014年毕业于法国里尔第一大学。毕业后进入湖南大学机械与运输工程学院工作。2021年获国家自然科学基金中国杰出青年项目资助。该论文的合著者是湖南大学的Jo Jiang教授和德国马普研究所的孙博士。本研究得到了国家自然科学基金、杰出青年科学基金(51725502)、面上项目(51975195)和德国洪堡基金的资助。

纸:https://pnas.org/content/119/9/e2110139119返回搜狐查看更多。

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