金屬零件在高周疲勞（HCF）條件下的失效方式通常由微裂紋的形核和擴展來控制，而微裂紋的形核和擴展受局部微結構的影響。因此，在顯微組織尺度上疲勞行為的表觀通常與局部微觀結構特徵的變化有關，即晶粒尺寸，晶體織構，缺陷，析出物。
與實驗樣本相比，在現實生活中的結構件中，由於不良的表面粗糙度導致的孔、夾雜物或缺口形式等缺陷會引起應力升高，從而導致結構疲勞性能下降。因此，需要詳盡的實驗和模擬工作來評估疲勞性能並確定固有的過程-結構-性能關係。目前已有一些人研究和預測了這些缺陷在結構件的高周疲勞行為中的作用，特別是在平均拉伸載荷下。但由於微觀結構的變化，它們不能解決隨機疲勞行為。
本研究中，通過使用晶體塑性有限元方法（CPFEM）模擬研究了平均應力對含孔洞鋁合金疲勞行為的影響。相關論文以題為“Micro-mechanical investigation of fatigue behavior of Al alloys containing defects ”於近期發表在Materials Science and Engineering: A。
論文鏈接：
https://sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320300460
研究人員提出了一種晶體塑性有限元（CPFEM）模擬框架，在Al-5083 / Al-5.8%Mg合金板的MIG焊接接頭上獲得了平均應力對疲勞壽命和裂紋擴展行為的影響的實驗數據，模擬計算是使用材料微觀結構的2D代表模型，該模型是使用EBSD測量數據通過各向異性算法生成的。對於每種載荷條件，使用的網格是尺寸為6 µm的六節點平面應變型二次三角形（CPE6），共生成了10種不同的微觀結構模型。
圖1 （a）鋁合金微觀結構有；（b）沒有表面缺陷的合成多晶的幾何形狀和網格（c）不同網格大小的示例
本文僅專注於模擬計算的預測。研究了兩種不同類型的情況：一種沒有缺陷，另一種有半圓形表面缺陷。為了更好地比較結果，在不同應力範圍和應力比（R比率）下的模擬載荷與實驗條件相似。當不考慮缺陷時，在不同的R比率下觀察到的預測疲勞壽命與實驗數據存在明顯偏差：預測的疲勞壽命高於實驗觀察到的疲勞壽命，預測的疲勞壽命比R=0.5和0.1的實驗觀察值高10倍。這可能是因為未考慮缺陷對疲勞壽命的有害影響。但是，當考慮到缺陷時，不同R比率的預測結果與實驗疲勞壽命一致，裂紋萌生晶粒通常接近缺陷（≤350μm）。
圖2 在三種不同的應變幅度下的實驗和模擬應力-應變滯後曲線：0.35%，0.5%，0.8%
圖3不同應力，不同R比分佈和宏觀應力-應變滯後曲線
圖4剪切應變在具有表面缺陷和裂紋萌生晶粒（以紅色突出顯示）的不同微結構中的分佈
該項研究成果有望促進對不同鋁合金結構件疲勞壽命的預測，CPFE仿真技術的使用，模擬了微觀結構與疲勞結構件的關係，能夠應對結構件缺陷的隨機性。該技術不僅應用於鋁合金結構件中，還有望在不鏽鋼、鎂合金等其他結構件中得到運用。可以節約實驗成本，提高工作效率，精準地預測結構件的使用壽命。（文：33）
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