A Griffith description of fracture for non-monotonic loading with application to fatigue
本文推广Griffith能量准则至非单调加载,将临界能量释放率视为随加载历史衰减的材料函数,统一描述单调与循环加载下大裂纹扩展,并验证于陶瓷、砂浆和PMMA的疲劳实验。
2024-04-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Cohesive zone modelling of hydrogen assisted fatigue crack growth: the role of trapping
研究了氢辅助疲劳裂纹扩展过程中微观结构陷阱的影响。为此,一个新的配方相结合的多陷阱应力辅助扩散,基于机制的应变梯度塑性和氢和疲劳相关的凝聚区模型,并进行了数值实现。结果表明,加载频率与有效扩散系数的比值控制疲劳裂纹扩展行为。增加不参与断裂过程的\emph{beneficial}陷阱的密度,导致较低的疲劳裂纹扩展速率。加载频率和碳化物陷阱密度的组合,最大限度地减少脆化敏感性被确定,耐氢合金的合理设计提供了基础。
2022-04-14 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
A phase field model for hydrogen-assisted fatigue
我们提出了一个新的理论和数值相场为基础的配方预测氢辅助疲劳。耦合变形-扩散-损伤模型能够预测任意加载模式和试样几何形状的疲劳裂纹形核和扩展。氢在增加疲劳裂纹扩展速率和减少失效循环次数中的作用进行了研究。我们的数值实验,使映射的三个加载频率制度,自然恢复巴黎法律行为的各种氢浓度。此外,得到了缺口和光滑试样的虚S-N曲线,与实验结果吻合较好。
2021-08-30 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.chem-ph
Three-Dimensional In Situ Texture Development and Plasticity Accumulation in the Cyclic Loading of an alpha-Ti Alloy
高能同步辐射X射线被用来跟踪晶粒旋转和微观力学演变的六角Ti-7Al微观结构,因为它是循环加载低于其宏观屈服应力。通过200次循环的晶粒的演变揭示了在整个试样中冯米塞斯应力和取向的连续变化,表明塑性的缓慢积累,即使样品在低于其宏观屈服下循环。尽管(宏观)塑性应变的大小可以忽略不计,但晶粒的重新取向与拉伸织构的发展是一致的。据观察,在一个“硬”的取向(c轴接近加载方向)的晶粒保留更多的残余应力在其滑移系统卸载后比在一个“软”的取向的晶粒。
2020-09-30 cond-mat.mtrl-sci
Computational predictions of hydrogen-assisted fatigue crack growth
本研究提出一种结合相场断裂疲劳描述、应力辅助氢扩散与韧性退化公式的氢辅助疲劳预测模型,无需氢疲劳数据校准即可实现多场景下的精准预测,还可确定试验参数与预充氢影响,支撑氢环境基础设施的虚拟测试。
2024-05-18 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Phase field cohesive zone modeling for fatigue crack propagation in quasi-brittle materials
本文扩展相场内聚区方法以模拟准脆性材料(如混凝土)的疲劳裂纹扩展,通过多种疲劳行为和二维/三维边值问题验证,证明其能准确捕捉疲劳裂纹扩展,并给出改进预测能力的建议。
2024-02-04 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Bayesian Optimised Collection Strategies for Fatigue Strength Testing
一个统计框架,使最佳的采样和分析等寿命疲劳数据。基于传统的阶梯法和应力步长法建立了贝叶斯最大熵抽样协议,降低了数据采集对先验知识的要求。贝叶斯阶梯方法显示出改进的参数估计效率,贝叶斯应力步长方法在较大步长下显示出与标准方法相同的精度,从而允许实验人员减少对加载历史的关注。显示了用于确定模型适用性的统计方法,突出了方案的影响。进行实验验证,显示在实验室测试的方法的适用性。
2022-09-21 cond-mat.mtrl-sci
Creep-fatigue interactions in a polycrystalline structural material under typical high-temperature power plant operating conditions
在晶体塑性自洽模型内的微观尺度的微观力学模型,用于分析加载历史的316 H型不锈钢,常见的高温电厂的结构部件。该研究通过英国R5结构评估代码分析比较SCM预测的力学行为和蠕变性能的变化。研究了316 H型不锈钢在550 ℃下与工厂相关的循环蠕变历史,重点是累积蠕变应变的估计。这旨在量化如何更好地了解循环载荷下的蠕变变形可以告知R5代码寿命评估方法,这是基于应变。循环塑性对一次和二次蠕变的影响被量化。蠕变应变的水平积累在不同的居住期间,从不同的宏观应力状态加载后,也进行了评估和链接的实验观察解释的响应。位移和负载控制的驻留的循环滞后回线的演变的影响进行检查,揭示了不同的假设蠕变应变积累可以利用SCM结果的信息,以减少不确定性。它还提供了指导的插值框架的结构参数的发展,基于SCM的结果,可以直接用于结构评估和设计方法,以估计非弹性应变的积累与保守程度较低。
2021-02-27 cond-mat.mtrl-sci
Damage accumulation during high temperature fatigue of Ti/SiC$_f$ metal matrix composites under different stress amplitudes
采用同步加速器X射线计算机断层成像(CT)和X射线衍射(XRD)技术,原位研究了不同应力幅下高强度TC 17钛合金/单向SiC纤维复合材料(纤维直径= 100 $μ$ m)在高温(350 °C)疲劳循环下的损伤机制和载荷重分布。通过CT绘制了裂纹和纤维断裂的三维形态。在稳定生长期间,基体开裂占主导地位,当绕过桥接纤维时,裂纹偏转(高度为50-100 $μ$ m)。少量的桥接纤维断裂接近基体裂纹平面,特别是在相对较高的应力幅循环。加载到峰值应力导致裂纹快速增长,伴随着纤维断裂的爆发。与稳定增长阶段相比,在快速增长阶段,许多纤维断裂发生在距基体裂纹面50-300 $μ$ m处,导致断裂表面上的广泛纤维拔出。在纤维负载,界面应力,和在裂纹附近的纤维-基体脱粘的程度的变化已映射为疲劳循环和快速增长后的高空间分辨率XRD。纤维/基体界面滑动延伸至裂纹平面两侧的600 $μ$ m(在稳定增长区)或700 $μ$ m(在快速增长区)。界面剪切应力的方向与加载周期,与最大摩擦滑动应力达到~55 MPa的稳定增长和快速增长的制度。
2021-02-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Electric-field-induced stress relaxation in alpha-phase poly(vinylidene fluoride) films
研究了α相聚偏氟乙烯薄膜的弹性疲劳与电循环载荷的关系。实验研究表明,电场诱发的疲劳行为可用应力松弛来描述,该应力松弛属于Kohlrausch函数群,对应的指数为修正的双参数Weibull分布函数。
2013-11-19 cond-mat.mtrl-sci
A phase field model for high-cycle fatigue: total-life analysis
我们提出了一个广义相场公式预测金属的高周疲劳。提出了不同的疲劳退化函数以及新的损伤累积策略,以解释(i)典型的S-N曲线斜率,(ii)疲劳耐久极限,以及(iii)平均应力效应。数值实现利用了一个有效的拟牛顿单片解决方案的战略和虚拟S-N曲线计算光滑和缺口样品。与实验结果的比较表明,该模型可以准确地预测疲劳寿命和疲劳极限,以及自然捕捉的应力集中系数和载荷比的影响。
2023-02-01 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
A holistic review on fatigue properties of additively manufactured metals
本文系统综述增材制造金属的疲劳性能,涵盖多种材料与工艺,分析影响因素,为提升其疲劳性能提供指导。
2023-10-07 cond-mat.mtrl-sci
Damage and Healing in Fatigue Fracture
本文对沥青在循环压缩下的疲劳破坏进行了试验和理论研究。改变载荷幅度,实验揭示了一个有限的疲劳极限,低于该极限,试样不会断裂,而接近材料的拉伸强度时,会发生快速失效。在中等载荷范围内,寿命随载荷的增加呈幂律下降。我们介绍了两种新的理论方法,即纤维束模型和保险丝模型,并表明,两者都捕捉到沥青的疲劳破坏的主要微观机制,提供了一个很好的协议与实验结果。模型计算表明,损伤累积和愈合的微裂纹的竞争引起了新的标度律的疲劳失效。
2006-07-24 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Identifying fatigue crack initiation through analytical calculation of temporal compliance calibrated with Computed Tomography
本研究提出一种基于 Computed Tomography 校准的解析方法,通过计算材料柔度演变来评估 AlSi10Mg 和 SS316L 的疲劳裂纹萌生寿命,预测结果与 CT 成像最大差异仅 4.8%。
2024-07-18 cond-mat.mtrl-sci
Fatigue behaviors and atomic-scale mechanisms in nanocrystalline gold thin film
本研究通过实验揭示了纳米晶金薄膜在循环弯曲下的疲劳损伤转变机制,并发现钛中间层可抑制应变局部化、提升疲劳性能,为柔性显示设计提供指导。
2023-11-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Annotated digital image correlation displacement fields from fatigue crack growth experiments
Institute for Frontier Materials on Earth and in Space, German Aerospace Center (DLR)(德国航空航天中心地球与太空前沿材料研究所)
本研究提供了一个包含8,794个位移场的数据集,用于数据驱动的断裂力学研究,通过全场数字图像相关技术获取,并附带标注和元数据支持机器学习应用。
2026-02-11 cond-mat.mtrl-sci
Physics-informed neural network for predicting fatigue life of unirradiated and irradiated austenitic and ferritic/martensitic steels under reactor-relevant conditions
Extreme Environments Materials Group (EEMG), Department of Materials Engineering, Indian Institute of Science (IISc)(极端环境材料组(EEMG)、材料工程系、印度科学研究院(IISc));Department of Materials, University of Oxford(材料系、牛津大学);Robert Bosch Centre for Cyberphysical Systems, Indian Institute of Science (IISc)(罗伯特·博世网络物理系统中心、印度科学研究院(IISc))
本文提出了一种具有物理信息的神经网络框架,用于预测核反应堆中奥氏体和铁素体/马氏体钢的低周疲劳寿命。该框架通过嵌入疲劳寿命的物理约束到损失函数中,提高了预测的准确性、可靠性和通用性。
2026-03-19 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Influence of the coating brittleness on the thermomechanical fatigue behavior of a $β$-NiAl coated R125 Ni-based superalloy
本研究探究了β-NiAl涂层R125镍基高温合金的涂层脆性对热机械疲劳行为的影响,通过多类试验与检测技术发现等温和循环氧化可提升涂层断裂应变并延长热机械疲劳寿命。
2024-06-18 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A plastic damage model with mixed isotropic-kinematic hardening for low-cycle fatigue in 7020 aluminum
本文针对EN AW-7020 T6铝合金低周疲劳问题,构建了含Chaboche型混合各向同性-随动硬化的J2塑性损伤模型,通过实验标定与数值验证,实现了大应变循环疲劳行为的准确模拟。
2025-01-12 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
A Data-Driven Method for Modeling Creep-Fatigue Stress-Strain Behavior Using Neural ODEs
本文提出基于神经常微分方程的数据驱动方法,利用Alloy 617蠕变-疲劳实验数据建立一维应力-应变模型,并通过SINDy符号回归提升可解释性,其精度超过标准Chaboche模型。
2025-05-05 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Elucidating microstructural influences on fatigue behavior for additively manufactured Hastelloy X using Bayesian-calibrated crystal plasticity model
The Pennsylvania State University(宾夕法尼亚州立大学);University of Oxford(牛津大学)
提出基于贝叶斯优化的晶体塑性模型校准方法,利用增材制造Hastelloy X疲劳数据,在75次迭代内高效校准,并揭示屈服和背应力参数主导应力-应变响应,大直径高Schmid因子晶粒为失效关键位置。
2024-12-06 cond-mat.mtrl-sci cs.CE cs.LG
Fatigue failure of amorphous alloys under cyclic shear deformation
该研究通过分子动力学模拟揭示非晶合金在循环剪切下的疲劳失效机制,发现屈服前循环次数遵循幂律,且势能曲线可用于预测疲劳寿命,并阐明了剪切带的形成过程。
2023-01-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Cyclic plasticity and fatigue damage of CrMnFeCoNi high entropy alloy fabricated by laser powder-bed fusion
CrMnFeCoNi高熵合金是高度可打印的,并且具有巨大的结构应用潜力。然而,在以往的研究中,没有显着的讨论循环塑性和疲劳损伤。本研究提供了重要的见解打印过程之间的联系,凝固组织,循环塑性和疲劳损伤演变的合金制造的激光粉末床融合。基于热力学的预测(通过扫描透射电子显微镜(STEM)能量色散X射线光谱(EDX)验证)表明,在所有考虑的打印参数中,Cr、Co和Fe分配到凝固单元的核心,而Mn和Ni分配到单元边界。位错滑移和形变孪晶都是导致塑性形变的主要原因。然而,前者被认为是循环塑性的单一主导机制。表面光洁度有助于显著延迟裂纹萌生,并导致未熔合孔隙成为裂纹萌生的主要来源。最重要的是,扫描策略显著影响晶粒排列和晶粒尺寸,导致对疲劳裂纹扩展的显著影响;特别是,在具有0°旋转的曲折扫描策略中观察到最高的裂纹扩展阻力,这归因于大多数柱状晶粒和沿着裂纹扩展路径的最小晶界间距。
2020-07-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Thermo-mechanical FE model with memory effect for 304L austenitic stainless steel presenting microstructure gradient
本研究的主要目的是确定,通过三维有限元分析(FE),应力和应变场的内表面的管状试样提交热机械疲劳。为了研究表面光洁度对内表面疲劳性能的影响,在各种热载荷下对实际尺寸的管状试样进行了机械试验。测试前,在试样内表面处和下进行的X射线测量、透射电子显微镜观察和显微硬度测试揭示了残余内应力和与加工硬化梯度相关的大位错显微结构梯度。在弹粘塑性模型中引入了与预硬化梯度有关的记忆效应,以确定内表面的应力应变场。首先通过热弹性模型计算管状试样内表面上的温度演化,然后用于我们的热机械模拟。热-机械模型参数的确定基于在20^{ \circ }C和300^{ \circ }C下进行的实验稳定循环拉伸-压缩测试。数值稳定的牵引-压缩循环曲线(有和没有预应变)和实验之间得到了很好的一致性。该三维模拟提供了在测试期间轴向和切向内部应力和局部应变的演变。数值结果表明:40次循环后,切向应力降低并趋于稳定,而轴向应力随循环次数的增加而降低的趋势较弱。结果还指出,棘轮效应和轻微的非比例载荷的内表面。计算得到的稳定循环的平均应力和应变值与初始值相差甚远,可用于获得与疲劳相关的标准设计的安全裕度,以及获得使用更先进的疲劳分析和准则所需的准确载荷条件。
2013-01-08 cond-mat.mtrl-sci physics.med-ph
Fatigue in disordered media
我们得到的巴黎法律的疲劳裂纹扩展在无序的固体使用熔丝网络模型,在每个电阻器中的累积损伤随时间的增加作为局部电流振幅的幂律。当电阻器达到其疲劳阈值时,它会不可逆地燃烧。随着时间的推移,这会促使裂缝生长,直到系统断裂成两部分。我们研究了无序影响下裂纹扩展速率的宏观指数--进入唯象Paris定律--与微观损伤累积指数$γ$之间的关系。通过$γ$,还研究了扩展裂纹的跳跃方式,$Δa$和连续断裂之间的等待时间$Δt$取决于材料的类型。我们发现,这些量的平均值,$<Δa>$和$<Δt>/<t_r>$,规模作为幂律的裂纹长度$a$,$<Δa> \propto a^α$和$<Δt>/<t_r> \propto a^{-β}$,其中$<t_r>$是平均断裂时间。引人注目的是,我们的研究结果表明,对于小的值的$γ$,在巴黎定律的指数相比,均匀的情况下,减少,导致在断裂材料的寿命增加。对于$γ=0$的特殊情况,当疲劳完全由无序支配时,分析处理证实了通过模拟获得的结果。
2012-07-12 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Estimation of fatigue life of TiN coatings using cyclic micro-impact testing
本文结合实验与计算建模研究工具钢上TiN涂层在循环微冲击下的疲劳行为,建立加速度载荷-深度-循环次数的三维失效图谱,并揭示法向牵引对界面疲劳失效的关键作用。
2024-05-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Failure precursors and failure mechanisms in hierarchically patterned paper sheets in tensile and creep loading
准脆性材料赋予(统计)自相似的层次结构显示出不同的故障模式,偏离标准的情况下,损伤累积裂纹成核和增长。在这里,我们研究了纸张与分层切片图案以及非分层和未图案化的参考样品,考虑未开裂的样品和含有宏观裂纹的样品的故障。在位移控制的拉伸载荷以及蠕变条件下的故障进行了研究。声发射记录和表面应变模式记录旁边的应力-应变和蠕变曲线。测量结果表明,分层图案化有效地减轻了应变局部化和裂纹扩展。在拉伸载荷下,这导致开裂样品的剩余强度显著增加。在蠕变条件下,对于一个给定的范围内的寿命层次图案化的样品被发现在较高的应力水平下维持较大的蠕变应变,其蠕变曲线显示出不寻常的行为,其特征在于多个蠕变速率最小值,由于紧急本地化带的反复逮捕。
2023-03-16 cond-mat.mtrl-sci
A multi-scale probabilistic methodology to predict high-cycle fatigue lifetime for alloys with process-induced pores
本文提出一种多尺度概率方法,结合逐单元应变-寿命模型与有限元统计建模,预测含未知分布孔隙合金结构的高周疲劳寿命,所需标定数据更少且能反映统计尺寸效应。
2024-09-26 cond-mat.mtrl-sci cs.CE