拉伸性能與疲勞性能是金屬材料工程應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)，建立二者之間定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)金屬材料不同力學(xué)性能之間關(guān)系的定量預(yù)測是金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域重要研究目標(biāo)之一。由于目前相關(guān)理論不夠完善，基于微觀變形與損傷機(jī)制的拉伸性能與疲勞性能定量預(yù)測模型并未建立起來。因此，雖有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明金屬材料拉伸強(qiáng)度與塑性之間存在明確的倒置關(guān)系，拉伸強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度之間存在特定的關(guān)系，但至今仍缺乏定量模型來描述上述定量關(guān)系。因此，建立金屬材料拉伸性能與疲勞性能定量預(yù)測具有重要科學(xué)意義。
金屬研究所張哲峰團(tuán)隊長期堅持材料疲勞與斷裂基礎(chǔ)理論研究，團(tuán)隊成員張振軍項(xiàng)目研究員前期在缺陷與金屬材料加工硬化關(guān)系方面進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，包括四類典型缺陷：1）零維缺陷：發(fā)現(xiàn)過飽和空位可提升合金的加工硬化能力；2）一維缺陷：在位錯主導(dǎo)塑性形變的合金中實(shí)現(xiàn)了加工硬化能力回升；3）二維缺陷：在FeMnCAl系TWIP鋼中實(shí)現(xiàn)隨孿晶密度增加應(yīng)變速率敏感性由負(fù)到正的轉(zhuǎn)變；4）三維缺陷：在TWIP鋼等強(qiáng)加工硬化材料中建立了微孔致頸縮判據(jù)。
近來，在加工硬化微觀機(jī)制研究基礎(chǔ)上，張振軍項(xiàng)目研究員提出了新的位錯湮滅模型，并通過考慮初始組織狀態(tài)與合金成分對加工硬化的影響，建立了單相金屬材料普適性硬化模型-指數(shù)硬化（ESH：Exponential Strain-Hardening）模型，并據(jù)此首次推導(dǎo)出單相金屬材料拉伸應(yīng)力(
)-應(yīng)變( )定量關(guān)系：
其中硬化指數(shù)n為位錯湮滅距離(ye)的表達(dá)式（
），反映合金成分的影響； 為初始缺陷對屈服強(qiáng)度(
)非位錯性貢獻(xiàn)的比例，反映微觀組織的影響；
為第二階段硬化率，對同一金屬合金體系為常數(shù)。該ESH模型得到了6種合金成分、100余種不同微觀組織狀態(tài)單相銅鋁合金的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖1所示。
該ESH模型闡明了單相金屬材料形變過程中一些重要規(guī)律：1）用一個參數(shù)(n)統(tǒng)一了五階段加工硬化規(guī)律；2）揭示了極限強(qiáng)度、臨界強(qiáng)度、真抗拉強(qiáng)度與成分及變形機(jī)制之間關(guān)系；3）首次推導(dǎo)出"屈服強(qiáng)度-抗拉強(qiáng)度-均勻延伸率"之間定量關(guān)系（公式(2-4)，圖2a-2c）；4）定量揭示了拉伸強(qiáng)度-塑性同步提升的兩個基本原則，即成分優(yōu)化（提升位錯滑移平面性）與組織優(yōu)化（降低初始高能缺陷），在銅合金、鎳基合金、TWIP鋼、高氮鋼、316L不銹鋼等單相合金中均得到了系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；5）實(shí)現(xiàn)了單相銅鋁合金拉伸強(qiáng)度、塑性及拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的定量預(yù)測，如圖2d-2f所示：
上述研究成果最近以2篇論文連載方式發(fā)表在Acta Mater; 231 (2022) 117866和231 (2022) 117877上。基于該ESH模型，博士生曲展在張振軍項(xiàng)目研究員的指導(dǎo)下，進(jìn)一步揭示了三類變形鋁合金（2xxx、6xxx、7xxx）拉伸強(qiáng)度和塑性隨時效時間變化的共性轉(zhuǎn)變規(guī)律與機(jī)制，建立了三類鋁合金加工硬化指數(shù)與時效過程中析出相性質(zhì)及幾何特征之間的定量關(guān)系，提出了變形鋁合金時效過程對加工硬化能力提升的析出相控制原理（J Mater Sci Technol; 122 (2022) 54-67）。
為了建立金屬結(jié)構(gòu)材料拉伸性能與疲勞性能之間定量關(guān)系，該團(tuán)隊成員劉睿博士在對銅鋁單相合金拉伸性能與高周疲勞強(qiáng)度系統(tǒng)性研究的基礎(chǔ)上，從疲勞損傷過程彈性變形與應(yīng)變局部化兩方面入手，通過引入合金成分、微觀組織與宏觀缺陷參數(shù)，建立了金屬結(jié)構(gòu)材料高周疲勞強(qiáng)度預(yù)測模型：
其中參數(shù)C代表合金成分（或彈性模量）對疲勞強(qiáng)度的影響，強(qiáng)度
和
為微觀組織對疲勞強(qiáng)度的影響，參數(shù)
反映了宏觀缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響，如圖3(a)所示；該高周疲勞強(qiáng)度預(yù)測模型得到了鋼鐵材料、鋁合金、銅合金、鈦合金、鎂合金等20余種典型工程結(jié)構(gòu)材料系統(tǒng)性疲勞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖3(b)所示。該研究成果也以2篇論文連載方式發(fā)表在J Mater Sci Technol; 70 (2021) 233-249和70 (2021) 250-267上。
在疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型方面，最近李鶴飛博士在團(tuán)隊成員張鵬研究員的指導(dǎo)下，針對高強(qiáng)鋼強(qiáng)度-韌性匹配關(guān)系，通過斷裂力學(xué)理論分析，建立了以靜態(tài)力學(xué)性能預(yù)測其疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型：
其中
為拉伸強(qiáng)度，
為斷裂韌性，E為彈性模量，R為應(yīng)力比，
為擴(kuò)展速率常數(shù)。同時，為了指導(dǎo)關(guān)鍵構(gòu)件材料強(qiáng)度-韌性優(yōu)化提高疲勞裂紋擴(kuò)展阻力，建立了高強(qiáng)度金屬材料等效疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型（如圖4(a)所示）。通過選擇高強(qiáng)度金屬材料強(qiáng)度-韌性之間匹配關(guān)系，可快速預(yù)測和降低其疲勞裂紋擴(kuò)展壽命（如圖4(b)所示），進(jìn)而可以指導(dǎo)關(guān)鍵構(gòu)件材料抗疲勞損傷容限設(shè)計。上述關(guān)于疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型在多種高強(qiáng)鋁合金、鈦合金及高強(qiáng)鋼材料中得到了驗(yàn)證。該研究成果發(fā)表在J Mater Sci Technol; 100 (2022) 46-50上。
將上述金屬材料拉伸性能和疲勞性能定量預(yù)測模型聯(lián)合起來，可以實(shí)現(xiàn)通過測試金屬結(jié)構(gòu)材料少數(shù)組織狀態(tài)的拉伸性能快速預(yù)測和優(yōu)化其疲勞性能的功能，為金屬結(jié)構(gòu)材料疲勞性能預(yù)測與優(yōu)化軟件研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，也為金屬結(jié)構(gòu)材料及工程構(gòu)件抗疲勞設(shè)計與制造提供理論支撐。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（51790482）、重點(diǎn)項(xiàng)目（51331007、52130002）、面上項(xiàng)目（51771208、51871223）項(xiàng)目、中國科學(xué)院王寬誠率先人才計劃"盧嘉錫國際合作團(tuán)隊"（GJTD-2020-09）、"青年促進(jìn)會"項(xiàng)目（2018182、2021192）及遼寧省"興遼計劃"創(chuàng)新團(tuán)隊項(xiàng)目（XLYC1808027）的資助。
相關(guān)成果列表及鏈接：
1.Zhang ZJ*, Qu Z, Xu L, Liu R, Zhang P, Zhang ZF*, Langdon TG. A general physics-based hardening law for single phase metals. Acta Mater; 231 (2022) 117877
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422002531#sec0020
2.Zhang ZJ*, Qu Z, Xu L, Liu R, Zhang P, Zhang ZF*, Langdon TG. Relationship between strength and uniform elongation of metals based on an exponential hardening law. Acta Mater; 231 (2022) 117866.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542200252X
3.Qu Z, Zhang ZJ*, Yan JX, Gong BS, Lu SL, Zhang ZF*, Langdon TG. Examining the effect of the aging state on strength and plasticity of wrought aluminum alloys. J Mater Sci Technol; 122 (2022) 54-67.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222001967?via%3Dihub
4.Liu R, Zhang P*, Zhang ZJ, Wang B, Zhang ZF*. A practical model for efficient anti-fatigue design and selection of metallic materials: I. Model building and fatigue strength prediction. J Mater Sci Technol; 70 (2021) 233-249.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030220307441?via%3Dihub
5.Liu R, Zhang P*, Zhang ZJ, Wang B, Zhang ZF*. A practical model for efficient anti-fatigue design and selection of metallic materials: II. Parameter analysis and fatigue strength improvement. J Mater Sci Technol; 70 (2021) 250-267.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100503022030743X?via%3Dihub
6.Li HF, Zhang P*, Wang B, Zhang ZF*. Predictive fatigue crack growth law of high-strength steels. J Mater Sci Technol; 100 (2022) 46-50.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030221005053?via%3Dihub
7.張振軍、張哲峰、張鵬、王強(qiáng)；一種金屬材料拉伸性能的預(yù)測方法, 2021-7-6, ZL201711234799.0，發(fā)明。已授權(quán)
8.張哲峰、劉睿、張鵬、張振軍、田艷中、王斌、龐建超；一種金屬材料疲勞強(qiáng)度的預(yù)測方法，2021-8-10，ZL201711235841.0，發(fā)明。已授權(quán)
9.張鵬、李鶴飛、段啟強(qiáng)、張哲峰；一種預(yù)測高強(qiáng)鋼疲勞裂紋擴(kuò)展性能的方法，2021-3-26，ZL201910030260.6，發(fā)明。已授權(quán)
圖1 ESH模型的建立與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：(a-b) 模型推導(dǎo)過程；(c-d) 強(qiáng)度與塑性驗(yàn)證
圖2 ESH模型的應(yīng)用：(a)建立"屈服強(qiáng)度-抗拉強(qiáng)度-均勻延伸率"之間定量關(guān)系；(b)實(shí)現(xiàn)拉伸性能及拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線定量預(yù)測
圖3 高周疲勞強(qiáng)度預(yù)測模型的建立與驗(yàn)證：(a) 模型建立過程；(b,c) 系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
圖4 (a)等疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型圖; (b)工程材料強(qiáng)度-韌性與疲勞裂紋擴(kuò)展速率關(guān)系(b)
