金属零件在高周疲劳（HCF）条件下的失效方式通常由微裂纹的形核和扩展来控制，而微裂纹的形核和扩展受局部微结构的影响。因此，在显微组织尺度上疲劳行为的表观通常与局部微观结构特征的变化有关，即晶粒尺寸，晶体织构，缺陷，析出物。
与实验样本相比，在现实生活中的结构件中，由于不良的表面粗糙度导致的孔、夹杂物或缺口形式等缺陷会引起应力升高，从而导致结构疲劳性能下降。因此，需要详尽的实验和模拟工作来评估疲劳性能并确定固有的过程-结构-性能关系。目前已有一些人研究和预测了这些缺陷在结构件的高周疲劳行为中的作用，特别是在平均拉伸载荷下。但由于微观结构的变化，它们不能解决随机疲劳行为。
本研究中，通过使用晶体塑性有限元方法（CPFEM）模拟研究了平均应力对含孔洞铝合金疲劳行为的影响。相关论文以题为“Micro-mechanical investigation of fatigue behavior of Al alloys containing defects ”于近期发表在Materials Science and Engineering: A。
论文链接：https://sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320300460
研究人员提出了一种晶体塑性有限元（CPFEM）模拟框架，在Al-5083 / Al-5.8%Mg合金板的MIG焊接接头上获得了平均应力对疲劳寿命和裂纹扩展行为的影响的实验数据，模拟计算是使用材料微观结构的2D代表模型，该模型是使用EBSD测量数据通过各向异性算法生成的。对于每种载荷条件，使用的网格是尺寸为6 µm的六节点平面应变型二次三角形（CPE6），共生成了10种不同的微观结构模型。
图1 （a）铝合金微观结构有；（b）没有表面缺陷的合成多晶的几何形状和网格（c）不同网格大小的示例
本文仅专注于模拟计算的预测。研究了两种不同类型的情况：一种没有缺陷，另一种有半圆形表面缺陷。为了更好地比较结果，在不同应力范围和应力比（R比率）下的模拟载荷与实验条件相似。当不考虑缺陷时，在不同的R比率下观察到的预测疲劳寿命与实验数据存在明显偏差：预测的疲劳寿命高于实验观察到的疲劳寿命，预测的疲劳寿命比R=0.5和0.1的实验观察值高10倍。这可能是因为未考虑缺陷对疲劳寿命的有害影响。但是，当考虑到缺陷时，不同R比率的预测结果与实验疲劳寿命一致，裂纹萌生晶粒通常接近缺陷（≤350μm）。
图2 在三种不同的应变幅度下的实验和模拟应力-应变滞后曲线：0.35%，0.5%，0.8%
图3不同应力，不同R比分布和宏观应力-应变滞后曲线
图4剪切应变在具有表面缺陷和裂纹萌生晶粒（以红色突出显示）的不同微结构中的分布
该项研究成果有望促进对不同铝合金结构件疲劳寿命的预测，CPFE仿真技术的使用，模拟了微观结构与疲劳结构件的关系，能够应对结构件缺陷的随机性。该技术不仅应用于铝合金结构件中，还有望在不锈钢、镁合金等其他结构件中得到运用。可以节约实验成本，提高工作效率，精准地预测结构件的使用寿命。
来源：材料科学与工程
