輕質(zhì)高強(qiáng)材料的缺陷演化行為及疲勞損傷先進(jìn)表征技術(shù)

牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室輕質(zhì)高強(qiáng)材料的缺陷演化行為及疲勞損傷先進(jìn)表征技術(shù)吳圣川，胡雅楠，康國(guó)政TPL主要內(nèi)容

背景及意義√實(shí)驗(yàn)：疲勞損傷表征方法理論：疲勞損傷評(píng)價(jià)模型仿真：基于圖像的損傷預(yù)測(cè)結(jié)論與成果先進(jìn)光源表征技術(shù)原位成像加載裝置原位疲勞損傷成像TPL

水面以下的冰山或許更為復(fù)雜、龐大和驚心動(dòng)魄！02/45TPL1.背景及意義03/45實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了軌道交通裝備現(xiàn)代化發(fā)展的應(yīng)用基礎(chǔ)研究平臺(tái)；有力地支撐了我國(guó)鐵路提速和高速的發(fā)展，起到不可替代作用；在學(xué)科發(fā)展和趕超世界先進(jìn)水平方面發(fā)揮了重要的引領(lǐng)和示范作用1989年1993年1995年2003年2008年2013年籌建開放國(guó)家驗(yàn)收國(guó)家評(píng)估國(guó)家評(píng)估國(guó)家評(píng)估評(píng)估結(jié)論2018年國(guó)家評(píng)估國(guó)內(nèi)外高鐵車輛結(jié)構(gòu)因疲勞裂紋導(dǎo)致提前退役或者封存，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響作為高鐵最重要承載結(jié)構(gòu)，絕對(duì)不允許出現(xiàn)各種缺陷致疲勞開裂問題TPL1.背景及意義04/451.背景及意義長(zhǎng)期以來，科學(xué)家通過辨識(shí)疲勞斷口和表面缺陷行為來揭示非標(biāo)或者小試樣的損傷機(jī)理，依此預(yù)測(cè)大塊金屬材料的真實(shí)服役性能，進(jìn)而建立工程部件/結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)方法。基于電光源的掃描電鏡（SEM）基于電光源的光學(xué)顯微鏡（OM）隨著對(duì)材料損傷機(jī)制認(rèn)識(shí)不斷深化，迫切希望透過“自由表面”看清“微觀世界”，從而建立基于材料表面/亞表面/內(nèi)部微結(jié)構(gòu)特征的更加準(zhǔn)確的服役壽命模型和更為完善的強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法。先進(jìn)光源如同步輻射光源、X射線自由電子激光及散裂脈沖中子源等是開展各種物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)原位、動(dòng)態(tài)、無損和可視化研究的超級(jí)顯微鏡和精密探針，研制兼容于先進(jìn)光源的原位成像加載裝置為材料內(nèi)部缺陷行為及損傷演化提供了全新的研究手段和歷史機(jī)遇。TPL05/45TPL局域表面損傷辨識(shí)→局域表面缺陷測(cè)量→大區(qū)域表面損傷測(cè)量→空間損傷演變成像及表征1.背景及意義06/451.背景及意義07/45先進(jìn)材料性能表征成為全球熱點(diǎn)關(guān)注問題美國(guó)總統(tǒng)科技執(zhí)行局認(rèn)為：先進(jìn)材料表征可以大大縮短新材料從概念設(shè)計(jì)到應(yīng)用的長(zhǎng)周期問題。方岱寧院士在剛剛閉幕的全國(guó)固體力學(xué)大會(huì)報(bào)告中指出：開展基于CT的圖像數(shù)據(jù)數(shù)字化識(shí)別和提取，實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷與損傷力學(xué)演化原位檢測(cè)，及進(jìn)行真實(shí)服役環(huán)境下可靠性評(píng)價(jià)是進(jìn)行先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)！2018年5月雙清論壇“材料內(nèi)部全場(chǎng)力學(xué)參數(shù)精細(xì)測(cè)量技術(shù)與表征評(píng)價(jià)方法”在天津召開，主席有中科大伍小平院士、北理工方岱寧院士、天津大學(xué)亢一瀾教授、北京工大韓曉東教授，詹世革主持。圍繞國(guó)家重大需求對(duì)材料內(nèi)部力學(xué)測(cè)量的新挑戰(zhàn)、基于先進(jìn)光源的材料內(nèi)部力學(xué)行為三維原位實(shí)驗(yàn)、多場(chǎng)環(huán)境下材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化測(cè)量與力學(xué)表征、復(fù)合結(jié)構(gòu)界面問題的力學(xué)測(cè)量表征四個(gè)主題，針對(duì)國(guó)際相關(guān)領(lǐng)域的研究前沿和研究進(jìn)展進(jìn)行深入交流。同時(shí)，對(duì)我國(guó)在內(nèi)部力學(xué)參量實(shí)驗(yàn)測(cè)試領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和特色以及未來3-5年我國(guó)科學(xué)家應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的研究方向等進(jìn)行認(rèn)真討論。20μm2cm微觀缺陷參數(shù)介觀缺陷分布缺陷統(tǒng)計(jì)宏觀試樣力學(xué)性能宏觀構(gòu)件疲勞性能1mm缺陷頻數(shù)、體積、球度統(tǒng)計(jì)缺陷極值統(tǒng)計(jì)疲勞P-S-N曲線

2m多尺度表征的必要性、重要性、迫切性！球度微結(jié)構(gòu)特征（如同步輻射CT）宏觀服役行為（如散裂源及其他）TPL1.背景及意義08/45散裂中子源測(cè)殘余應(yīng)力介觀特征（如工業(yè)CT）主要內(nèi)容背景及意義實(shí)驗(yàn)：疲勞損傷表征方法√理論：疲勞損傷評(píng)價(jià)模型仿真：基于圖像的損傷預(yù)測(cè)結(jié)論與成果先進(jìn)光源表征技術(shù)原位成像加載裝置原位疲勞損傷成像TPL

水面以下的冰山或許更為復(fù)雜、龐大和驚心動(dòng)魄！09/45同步輻射光源是真空中接近光速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（如電子）在軌道切線方向釋放出的電磁波。主要特性：寬頻譜（Widespectrum）

高亮度（Highbrightness）

高準(zhǔn)直（Highcollimation）

高純凈（Highpurity）高偏振（Highpolarization）窄脈沖（Narrowpulse）可計(jì)算性（Accuratecalculability）電磁波種類、特性及穿透材料深度關(guān)系基本涵蓋目前所有科學(xué)實(shí)驗(yàn)用光源需求高水平、高通量交叉前沿實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)TPL2.1先進(jìn)光源表征技術(shù)10/45

同步輻射裝置的基本結(jié)構(gòu)組成電子儲(chǔ)存環(huán)（Storagerings）彎轉(zhuǎn)磁鐵（Bendingmagnet）扭擺器（Wigglers）波蕩器（Undulators）1965~1975年

第一代同步輻射光源（基于加速器的共生型）1975~1990年

第二代同步輻射光源（基于儲(chǔ)存環(huán)的專用型）1994年~至今

第三代同步輻射光源（基于插入件的專用型）世界典型的第三代高能光源1991年

北京同步輻射裝置（BSRF）第一代1992年

合肥同步輻射裝置（NSRL）第二代2009年

上海同步輻射光源（SSRF）

第三代北京規(guī)劃建設(shè)高能同步輻射光源（HEPS），其各項(xiàng)性能指標(biāo)在三代光源前列中能光源能量最高TPL2.1先進(jìn)光源表征技術(shù)11/45X射線自由電子激光（X-rayFreeElectronLaser，XFEL）是一種以相對(duì)論高品質(zhì)電子束作為工作介質(zhì)，在周期磁場(chǎng)中以受激發(fā)射方式放大短波電磁輻射的新型強(qiáng)相干激光光源。主要特性：波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)、橫向和縱向相干、峰值以及平均亮度極高、光脈沖短至阿秒級(jí)、時(shí)空和能量分辨率極高，為目前任何光源都無法比擬的最先進(jìn)X射線源。建設(shè)中的上海XFEL鳥瞰圖各種光源的時(shí)空分辨圖超高時(shí)間和空間分辨特性實(shí)現(xiàn)工程材料疲勞損傷的原位表征TPL2.1先進(jìn)光源表征技術(shù)12/45散裂中子源是用來自大型專用加速器高能質(zhì)子流轟擊重金屬靶，引起原子核散裂反應(yīng)，從而釋放出高能中子的大科學(xué)裝置。技術(shù)特點(diǎn)：

穿透能力強(qiáng)、對(duì)物質(zhì)破壞性小、對(duì)物質(zhì)核外電子擾動(dòng)十分微弱主要應(yīng)用：高精度應(yīng)變、織構(gòu)和殘余應(yīng)力測(cè)試中國(guó)散裂中子源（ChinaSpallationNeutronSource，CSNS）基于同步輻射X射線衍射襯度成像亞穩(wěn)態(tài)粗晶β鈦合金原位拉伸變形機(jī)制[1]基于顯微衍射成像的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果[2]裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)有限元預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比[3][1]LudwigW,etal.MaterSciEngA,524(2009)69-76.[2]LiRG,etal.PHAS,115(2018)483-488.[3]StaronP,etal.Weinheim:Wiley-VCH,2017.TPL2.1先進(jìn)光源表征技術(shù)13/45基于同步輻射成像的材料疲勞損傷表征原理圖，能夠?qū)崿F(xiàn)材料疲勞損傷行為的多尺度和高通量表征HPITREPITREPITRE3BMIMICSAMIRAVGSTUDIOIMAGEJ3-MATICHYPERMESHABAQUSANSYS成像數(shù)據(jù)精確可視化切片處理閾值優(yōu)化三維重構(gòu)圖像分割網(wǎng)格劃分仿真模擬切片處理幾何特征統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格剖分仿真預(yù)測(cè)圖像處理TPL2.2原位疲勞損傷成像-思路14/45研制兼容于相應(yīng)光源光束線配置的原位成像加載裝置(a)兼容于ESRF；(b)兼容于SPring-8；(c)兼容于APS代表性同步輻射光源及主要學(xué)者：美國(guó)加利福尼亞大學(xué)BaleHA教授法國(guó)里昂國(guó)立應(yīng)用科學(xué)學(xué)院BuffièreJY教授日本九州大學(xué)TodaH教授英國(guó)曼徹斯特大學(xué)WithersPJ教授、院士美國(guó)APS法國(guó)ESRF日本SPring-8英國(guó)Diamond2.2原位成像加載結(jié)構(gòu)-進(jìn)展商用大型試驗(yàn)機(jī)不匹配:立柱擋光，導(dǎo)致不能均勻穿過試樣質(zhì)量太重、尺寸太大，無法放置光源光源能量限制，尚不能穿透大尺寸部件

必須研制匹配于光源成像系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)。15/45TPL2.2原位成像加載結(jié)構(gòu)-自主研制原位拉伸成像試驗(yàn)機(jī)含溫控和氛圍成像試驗(yàn)機(jī)(-196~+400°C，腐蝕等)原位疲勞成像試驗(yàn)機(jī)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞成像試驗(yàn)機(jī)16/45鋁合金熔焊接頭疲勞裂紋萌生行為鋁合金熔焊接頭氣孔分布表征鋁合金熔焊接頭裂紋演化行為氣孔處起裂的疲勞裂紋擴(kuò)展行為焊趾處起裂的疲勞裂紋擴(kuò)展行為基于研制的原位材料試驗(yàn)機(jī)率先開展高強(qiáng)度鋁合金焊縫的疲勞損傷行為！TPL2.4原位疲勞損傷成像-接頭17/45氣孔缺陷未熔合缺陷激光選區(qū)熔化Ti-6Al-4V內(nèi)部缺陷分布表征[4]基于同步輻射成像的準(zhǔn)原位疲勞加載激光選區(qū)熔化Ti-6Al-4V損傷行為[6]氣孔：氣體未及時(shí)溢出所致，

尺寸較小、形貌規(guī)則；未熔合：粉末熔化不良所致，

尺寸較大，形貌復(fù)雜，

極易誘導(dǎo)疲勞裂紋萌生裂紋萌生后的擴(kuò)展周次電子束熔敷Ti-6Al-4V疲勞裂紋演化行為[5][5]CunninghamR,etal.MaterResLetter,(2017)1-10.[6]Tammas-WilliamsS,etal.SciRep,7(2017)7308.[7]吳正凱，等.金屬學(xué)報(bào)，2018，已接收.

率先開展增材制造材料的缺陷與疲勞損傷演變行為表征研究！TPL2.5原位疲勞損傷成像-增材18/452.6原位疲勞損傷成像-服務(wù)用戶0N1500NThedamagebehaviorofceramicmatrixcompositesviainsituSR-μCT復(fù)合材料（北理工）0N3000N19/45鑄造合金（石家莊）不銹鋼（有色院）TPL2.7原位疲勞損傷成像-相關(guān)進(jìn)展20/45增材制造的本質(zhì)問題要從焊接入手，借助先進(jìn)光源揭示了熔池內(nèi)部流場(chǎng)特性[4]AucottL,etal.NatureCummunicat(2018)5414.高S元素影響低S元素影響弧焊及增材過程成像清晰揭示了微量元素對(duì)表面張力及其對(duì)熔池形貌影響英國(guó)Diamond光源JEEP線站，英國(guó)萊斯特大學(xué)董紅標(biāo)教授等TPL2.7原位疲勞損傷成像-相關(guān)進(jìn)展21/45[8]MartinJH,etal.Nature(2017)549:365-369.美國(guó)加州大學(xué)MartinJH等人引入鋯合基納米顆粒作為形核劑成功打印出高強(qiáng)度7075鋁合金，有效避免了粗大晶粒組織和熱裂紋等微觀缺陷，是突破高強(qiáng)度鋁合金大規(guī)模應(yīng)用的重要技術(shù)途徑！最近致力于打印超高飛行器復(fù)合材料！TPL2.7原位疲勞損傷成像-相關(guān)進(jìn)展22/45[9]ZhaoC,etal.SciRep(2017)3602.高時(shí)空分辨成像-衍射線站32-ID-B美國(guó)APS光源激光選區(qū)Ti-6Al-4V過程：功率520W，曝光350ns凝固過程氣孔形成基于先進(jìn)光源的高通量制備和表征技術(shù)加速了先進(jìn)材料及結(jié)構(gòu)從概念設(shè)計(jì)到工程應(yīng)用的過程，是目前國(guó)際上前沿發(fā)展方向。2.8原位疲勞損傷成像-衍射模式23/45[10]LiRG,etal.PNAS(2018)115:483-488.（先投稿Nature，修改后未被接收）APS光源34-ID-E衍射線站，精度1.0μm，高周循環(huán)29000周次后制備小試樣，（離線+原位）衍射三維成像王沿東表征了低堆垛層錯(cuò)能奧氏體不銹鋼試樣（2.75×1.25×0.2mm3）在高周疲勞加載過程的應(yīng)力應(yīng)變演變，大尺寸應(yīng)變梯度分布揭示了疲勞剪切帶損傷的微觀機(jī)制，但文中原位衍射細(xì)節(jié)并不清晰。該研究確定了亞微米尺度應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化過程，揭示了位錯(cuò)對(duì)剪切帶形成、交互及微觀損傷的影響，澄清了交叉剪切帶處應(yīng)力集中引起疲勞壽命偏離經(jīng)典Coffin-Manson定律的物理本質(zhì)。這一研究成果對(duì)金屬材料的疲勞斷裂行為和使用壽命的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)及高性能構(gòu)件的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義2.8原位疲勞損傷成像-衍射模式24/45[11]Cunninghametal.,Science(2019)363:849-852.高時(shí)空分辨成像-衍射線站32-ID-B美國(guó)APS光源,激光粉末增材Ti-6Al-4V合金過程的“匙孔”形成機(jī)制揭示匙孔形成動(dòng)力學(xué)是增材質(zhì)量及缺陷形成的技術(shù)瓶頸之一TPL研究表明：(1)存在一個(gè)與激光功率密度有關(guān)的閾值，它決定著傳導(dǎo)和深熔制造模式；(2)匙孔的形成首先是材料蒸發(fā)，然后是液態(tài)界面振蕩導(dǎo)致的壓制效應(yīng)，最后是深度方向擴(kuò)充及匙孔的最終形成和穩(wěn)定存在。主要內(nèi)容背景及意義實(shí)驗(yàn)：疲勞損傷表征方法理論：疲勞損傷評(píng)價(jià)模型√仿真：基于圖像的損傷預(yù)測(cè)結(jié)論與成果先進(jìn)光源表征技術(shù)原位成像加載裝置原位疲勞損傷成像TPL

水面以下的冰山或許更為復(fù)雜、龐大和驚心動(dòng)魄！25/45TPLNASGRO方程，當(dāng)-2≤R≤0.7時(shí)塑性致裂紋閉合函數(shù)參數(shù)3.1疲勞損傷模型-理論基礎(chǔ)同步輻射三維成像研究表明：裂紋前緣存在裂紋閉合現(xiàn)象，在壓應(yīng)力加載下尤為明顯26/45TPL同步輻射三維成像研究表明：裂紋前緣存在由空穴聚集產(chǎn)生的損傷區(qū)，是裂紋擴(kuò)展的微觀驅(qū)動(dòng)力！3.1疲勞損傷模型-理論基礎(chǔ)同步輻射三維成像研究表明：裂紋前緣存在孔洞形核、長(zhǎng)大和聚合循環(huán)現(xiàn)象，并以裂尖鈍化方式連續(xù)擴(kuò)展27/45疲勞裂紋尖端塑性區(qū)機(jī)制：疲勞裂紋尖端材料損傷示意圖：(a)宏觀斷口上的疲勞臺(tái)階形貌；(b)平面應(yīng)變下裂紋尖端循環(huán)拉壓塑性區(qū)形貌適用于任意應(yīng)力比和裂紋閉合的概率LAPS模型：TPL3.2疲勞損傷模型-損傷容限設(shè)計(jì)28/45TPL新裂紋擴(kuò)展模型LAPS預(yù)測(cè)結(jié)果與公認(rèn)NASGRO和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好！3.2疲勞損傷模型-損傷容限設(shè)計(jì)29/453.2疲勞損傷模型-損傷容限設(shè)計(jì)30/45新思路：基于線性累積損傷的裂紋擴(kuò)展模型簡(jiǎn)單、易用，無需復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，例如與蔡力勛一起發(fā)展模型：循環(huán)塑性參數(shù)仍然復(fù)雜，提出一種新的基于材料拉伸性能的裂紋擴(kuò)展模型，式中相關(guān)參數(shù)見相關(guān)文獻(xiàn)：[9]ShiKK,etal.IntJFatigue(2016)61:220-225.[10]WuSC,etal.IntJFatigue(2017)103:185-195.式中：SAE1050鋼E36鋼EA4T鋼基于小樣本數(shù)據(jù)的疲勞P-S-N曲線的壽命評(píng)估模型疲勞壽命，cyclesNjiNki0SkSj應(yīng)力水平，MPa壽命概率分位點(diǎn)一致性原理等效壽命轉(zhuǎn)換原理圖謝里陽教授提出樣本信息聚集原理并結(jié)合攝動(dòng)搜索尋優(yōu)技術(shù)，得到較為精確的疲勞P-S-N曲線。當(dāng)前小樣本疲勞數(shù)據(jù)處理方法，存在需要樣品過多及建立的P-S-N曲線不符合理論情況，即不能反映高周和超高周疲勞下疲勞壽命離散性逐漸增大的現(xiàn)象。TPLp(Nji)p(Nki)3.3壽命曲線模型-失效安全設(shè)計(jì)31/45TPL（1）試樣個(gè)數(shù)優(yōu)化（3）P-S-N曲線擬合優(yōu)化（2）搜素參數(shù)K優(yōu)化試樣個(gè)數(shù)大于6試樣個(gè)數(shù)大于變異系數(shù)對(duì)應(yīng)的最少試驗(yàn)數(shù)搜索參數(shù)K上限值滿足：Clot載荷系數(shù)

ε尺寸系數(shù)

β表面系數(shù)鏡面拋光，無切口s1000斜率系數(shù)k103

k(p,1-α,ν)

可靠性系數(shù)SbeSe⑴⑵⑶⑷⑸疲勞壽命,cycles應(yīng)力水平，MPa疲勞壽命,cycles應(yīng)力水平，MPa原始方法改進(jìn)方法

ε尺寸系數(shù)

β表面系數(shù)Clot載荷系數(shù)k(p,1-α,ν)

可靠性系數(shù)鏡面拋光，無切口s1000斜率系數(shù)k103SbeSes′1000⑴⑵⑶⑷⑸3.3壽命曲線模型-失效安全設(shè)計(jì)32/45TPL改進(jìn)方法（小樣本疲勞數(shù)據(jù)）比傳統(tǒng)方法處理工程問題更為準(zhǔn)確和有效！3.3壽命曲線模型-失效安全設(shè)計(jì)33/45主要內(nèi)容背景及意義實(shí)驗(yàn)：疲勞損傷表征方法理論：疲勞損傷評(píng)價(jià)模型仿真：基于圖像的損傷預(yù)測(cè)√結(jié)論與成果先進(jìn)光源表征技術(shù)原位成像加載裝置原位疲勞損傷成像TPL

水面以下的冰山或許更為復(fù)雜、龐大和驚心動(dòng)魄！34/45根據(jù)網(wǎng)格敏感性測(cè)試結(jié)果，有限元剖分時(shí)建議40μm氣孔表面網(wǎng)格為2μm，遠(yuǎn)離氣孔2倍直徑的材料區(qū)域可采用更大尺寸的網(wǎng)格。氣孔與焊縫表面相切時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)迅速增加至最大值，認(rèn)為當(dāng)氣孔剛好位于自由表面之下時(shí)，萌生疲勞裂紋的可能性最大；對(duì)于AA7020-T651激光復(fù)合焊接接頭，認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)小于1.8且直徑小于40μm的內(nèi)部氣孔對(duì)接頭的疲勞性能幾乎無影響。應(yīng)力集中系數(shù)隨氣孔相對(duì)位置演變規(guī)律直徑為40μm氣孔處σ11分布：(a)s/r＝-0.2；(b)s/r＝0；(c)s/r＝2.7

氣孔相對(duì)位置TPL4.1基于圖像的仿真-臨界缺陷35/45EDV獲取方法：(a)基于ABAQUS的EDV收集；(b)基于Photoshop的EDV反選處理EDV隨氣孔相對(duì)位置的演化規(guī)律與Kt相似；EDV為一個(gè)合理評(píng)價(jià)缺陷位置力學(xué)響應(yīng)的損傷指標(biāo)。載荷施加和邊界約束條件激光選區(qū)熔化Ti-6Al-4VEDV隨氣孔相對(duì)位置演變規(guī)律應(yīng)力集中系數(shù)KtMurakami參數(shù)√area缺陷擴(kuò)展區(qū)EDV4.1基于圖像的仿真-臨界缺陷36/45注意事項(xiàng)：基于Kt的缺陷評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確，缺陷形貌復(fù)雜，應(yīng)力集中系數(shù)并不容易獲得。[11]吳圣川，胡雅楠，康國(guó)政.材料疲勞損傷行為的先進(jìn)光源表征技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2018.增材制造缺陷鋁合金焊接缺陷激光選區(qū)熔化Ti-6Al-4V氣孔附近Mises應(yīng)力分布原位疲勞成像激光復(fù)合焊接AA7020損傷演化裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)循環(huán)周次77300時(shí)應(yīng)力分布（a）含有氣孔（b）無氣孔開展基于先進(jìn)光源成像大數(shù)據(jù)的有限元仿真計(jì)算模型，揭示損傷演化機(jī)制！TPL4.2基于圖像的仿真-損傷演變InitiationsiteInitiationsite37/45氣孔幾何特征與疲勞壽命之間關(guān)系

電子束熔敷Ti-6Al-4V激光復(fù)合焊接AA7020-T651材料疲勞強(qiáng)度與缺陷的關(guān)系（KT圖）表征晶粒與缺陷尺寸關(guān)系的概率KT圖臨界缺陷的準(zhǔn)確定義對(duì)于材料無損探傷周期和運(yùn)維方案的制定以及服役性能評(píng)價(jià)具有重要的工程意義。以AA7020-T651鋁合金激光復(fù)合焊接接頭為例：平均晶粒尺寸

焊縫平均晶粒尺寸約為36.2μm氣孔尺寸分布

焊縫內(nèi)部約99.5%的氣孔小于40μm裂紋源處氣孔大小

萌生裂紋氣孔等效直徑大于

64μm臨界缺陷尺寸近似取40μmTPL通過先進(jìn)光源成像表征出缺陷，然后把建立缺陷尺寸-疲勞壽命、缺陷尺寸-應(yīng)力范圍的關(guān)系圖，是研究終極目標(biāo)4.1基于圖像的仿真-臨界缺陷38/45TPLGurson-Tvergaard-Needleman（GTN）模型式中：σeq為VonMises等效應(yīng)力，σm為基體屈服應(yīng)力，σH為靜水壓力，f*為等效孔洞體積分?jǐn)?shù)，q1、q2和q3為擬合參數(shù)。孔洞長(zhǎng)大和孔洞形核引起的損傷：假設(shè)基體不可壓縮下孔洞增長(zhǎng)率：孔洞形核過程可由應(yīng)力或應(yīng)變控制：孔洞形核率：基于真實(shí)焊縫幾何特征的鋁合金接頭模型材料初始孔洞體積分?jǐn)?shù)f0余高接頭0.26%接頭母材0.24%打磨焊縫0.32%打磨母材0.24%母材區(qū)母材區(qū)焊縫上部焊縫下部激光復(fù)合焊接AA7020-T651焊縫及母材力學(xué)性能基于先進(jìn)光源獲取的初始損傷的細(xì)觀損傷力學(xué)分析！

彈性模量/MPa屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa焊縫73399206262母材686783273634.2基于圖像的仿真-細(xì)觀損傷39/45應(yīng)力集中部位應(yīng)力集中部位拉伸載荷作用下接頭孔洞體積分?jǐn)?shù)分布云圖基于原位疲勞同步輻射成像的接頭失效位置拉伸載荷作用下接頭σ11應(yīng)力分布云圖余高接頭與打磨接頭峰值應(yīng)力分布存在差異；拉伸載荷下焊縫區(qū)的孔洞體積分?jǐn)?shù)有所增長(zhǎng)；孔洞體積分?jǐn)?shù)峰值與最大應(yīng)力分布基本吻合；打磨接頭亞表面/內(nèi)部氣孔暴露于表面成為裂紋源?；诩?xì)觀損傷力學(xué)分析，從理論和實(shí)驗(yàn)上揭示去余高和含余高接頭的失效行為！有余高時(shí)，起裂于焊趾處無余高時(shí)，起裂于焊根處TPL4.2基于圖像的仿真-細(xì)觀損傷40/45應(yīng)力集中部位應(yīng)力集中部位4.2基于圖像的仿真-兩種CT41/45(a)工業(yè)CT結(jié)果(b)同步輻射CT結(jié)果共同目標(biāo)都應(yīng)是建立缺陷評(píng)價(jià)方法工業(yè)CT檢測(cè)實(shí)現(xiàn)與仿真一體化，同步輻射CT機(jī)時(shí)有限；工業(yè)CT可檢大部件、精度低，屬于點(diǎn)光源；同步輻射CT精度高，平行、純凈干涉光，小樣品，適于原位、動(dòng)態(tài)研究；皆可以開展缺陷評(píng)價(jià)，應(yīng)兩者結(jié)合，打通基礎(chǔ)與應(yīng)用兩極。主要內(nèi)容背景及意義實(shí)驗(yàn)：疲勞損傷表征方法理論：疲勞損傷評(píng)價(jià)模型仿真：基于圖像的損傷預(yù)測(cè)

結(jié)論與成果√先進(jìn)光源表征技術(shù)原位成像加載裝置原位疲勞損傷成像TPL

水面以下的冰山或許更為復(fù)雜、龐大和驚心動(dòng)魄！42/45實(shí)驗(yàn)方面：研制基于先進(jìn)光源的原位拉伸和疲勞試驗(yàn)機(jī)（含溫控和氛圍），在上海光源和北京同步輻射裝置開展輕質(zhì)高強(qiáng)材料的疲勞損傷行為研究。理論方面：建立了基于裂尖循環(huán)塑性的新裂紋擴(kuò)展模型及概率裂紋擴(kuò)展模型，提出了基于小樣本數(shù)據(jù)的更準(zhǔn)確可靠的疲勞P-S-N