《Materials》：Study on the Optimization of Mix Proportions for Recycled Aggregate Concrete and Its Freeze–Thaw Resistance Performance
Ping Zheng,
Wei Deng,
Wenyu Wei,
Chao Pu,
Zhiwei Yang,
Bing Ma,
Jialong Sheng and
Peng Yin
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针对船用AH36钢焊接热影响区（HAZ）疲劳损伤机理不清的难题，研究者采用分子动力学-有限元（MD-FEM）耦合多尺度方法，构建了从纳米到毫米级的仿真模型，揭示了裂纹尖端钝化/锐化、微观空洞（void）形核与演化对裂纹扩展速率的影响规律。该工作为理解金属材料疲劳损伤微观机理提供了新视角。
船舶、海洋平台等重大工程结构长期服役于恶劣的海洋环境中，承受着波浪反复冲击带来的交变载荷。这些结构主要由钢板焊接而成，而焊接接头，特别是焊接热影响区（HAZ），往往是整个结构中最薄弱的环节。在焊接热循环的作用下，HAZ的微观组织和性能呈现不均匀分布，容易出现硬化、脆化或软化，并伴随微观缺陷的产生。这使得HAZ在服役载荷下极易萌生微观裂纹并扩展，最终可能导致灾难性的疲劳失效。因此，深入研究焊接热影响区的疲劳损伤微观机理，对于保障海洋工程结构的安全性和可靠性具有至关重要的意义。
AH36钢作为一种高强度、高韧性、易焊接且耐腐蚀的低合金高强度船用钢，被广泛应用于深海工程、绿色船舶、极地航行等领域。尽管其宏观疲劳性能已有一些研究，但针对其焊接热影响区疲劳裂纹萌生与扩展的原子尺度微观机制，目前的认识仍不够充分。传统的实验方法难以实时、原位地观测纳米尺度下裂纹尖端的动态演化过程。为了突破这一瓶颈，研究者们转向了跨尺度数值模拟技术，试图从原子相互作用的底层原理出发，揭示宏观疲劳现象背后的微观物理本质。
近期，一项发表在《Materials》上的研究为我们打开了这扇微观世界的大门。该研究创造性地采用了耦合分子动力学（MD）与有限元法（FEM）的多尺度模拟方法，对AH36钢焊接热影响区的疲劳裂纹扩展行为进行了一场从原子到宏观的“全景式”数字仿真实验。通过将宏观连续介质力学与微观原子相互作用理论相结合，研究者们成功模拟了600次拉伸-拉伸疲劳循环加载下裂纹的扩展过程，并清晰地观测到了裂纹尖端形态的周期性变化、微观空洞的形核与聚合等关键微观事件，从全新的视角阐释了疲劳裂纹扩展的微观机制。
研究者们为开展此项多尺度研究，主要运用了以下几项关键技术方法：首先，基于ASTM标准中AH36钢的化学成分，利用Atomsk工具构建了包含多种合金元素（如C, Si, Mn等）的多晶铁原子模型，并采用修正嵌入原子法（MEAM）等势函数描述原子间相互作用。其次，通过模拟焊接热循环过程（加热至950K后冷却），建立了HAZ的分子动力学模型。接着，采用ABAQUS有限元软件建立了宏观（毫米级）和介观（微米级）模型，并通过边界位移传递、裂纹形态等效映射和裂纹尖端跟踪技术，实现了分子动力学微观模型与有限元介观/宏观模型之间的迭代耦合与信息交换。整个多尺度模拟在LAMMPS分子动力学软件中完成疲劳加载计算。
3. 多尺度裂纹扩展模拟结果
该研究成功实施了总计600次疲劳循环的跨尺度模拟。模拟结果显示，在循环载荷作用下，裂纹沿x方向从初始的50 ?扩展至469 ?。裂纹扩展速率并非恒定，而是呈现波动变化。通过每50次循环后与介观模型进行一次信息交换和裂纹形态更新，并进行了9次微观模型区域的重定义以跟踪向前扩展的裂纹尖端，研究团队完整捕获了裂纹扩展路径和形态的连续演化过程。
4. 裂纹扩展过程中的微观结构演化分析
4.1. 裂纹尖端的锐化与钝化
分析表明，疲劳裂纹的扩展速率受到多种因素的耦合影响。在100-150、200-250以及350-400循环期间，可以观察到裂纹尖端发生了明显的钝化现象。这种钝化改变了裂纹尖端的应力集中状态，直接导致在随后的150-200以及400-450循环中，裂纹扩展速率出现下降。例如，在150-200循环期间，扩展速率从每50循环27 ?降至17 ?。相反，在550-600循环期间，裂纹尖端发生显著锐化，其扩展速率和长度大幅增加。研究明确指出，峰值边界应变并非影响裂纹扩展速率的唯一决定因素，裂纹的形态（钝化/锐化）和扩展方向（例如纵向拓宽阻碍了向前扩展）共同导致了裂纹扩展迟滞现象的发生。这一发现与AH36钢疲劳裂纹实验中所观察到的过载迟滞效应在规律上相一致。
4.2. 空洞（Voids）
模拟在裂纹尖端及附近区域周期性观察到了微观空洞的形成。这些空洞出现在由常见邻位分析（CNA）识别出的“其他”类型原子聚集的区域。随着疲劳循环次数和峰值应变的增加，空洞的数量和尺寸也有所增大，这在一定程度上反映了微观损伤累积的加剧。在551至559循环期间，可以清晰看到“其他”类型原子区域首先聚集，随后逐渐扩大并伴随空洞出现，这些空洞进而聚合、连接，形成横向微裂纹。这表明，裂纹尖端应力集中诱发的塑性变形首先导致原子晶格畸变和“其他”类型原子聚集，这种结构紊乱为空洞形核提供了有利条件。空洞的形核、聚集和合并进一步促进了裂纹的形成与扩展。同时，部分空洞表现出“愈合”现象，这可能也是裂纹萌生初期扩展速率相对较低的原因之一。尽管在原子尺度动态观测纳米空洞极具挑战，但该模拟所揭示的现象与金属疲劳中微孔洞形核演化的公认机制相符，并且与AH36钢焊接试样HAZ疲劳测试后扫描电子显微镜（SEM）图像中观察到的微裂纹和空洞缺陷间接吻合。
5. 结论
本研究基于MD-FEM耦合多尺度方法成功构建了模拟AH36钢焊接热影响区疲劳裂纹扩展的模型，实现了跨尺度信息传递与循环仿真。通过分析，得出以下关于疲劳裂纹扩展微观机制的核心结论：首先，裂纹扩展受多因素耦合影响，峰值边界应变与扩展速率之间不存在单调关系，裂纹形态的钝化/锐化和扩展方向等因素会导致扩展迟滞。其次，循环载荷下裂纹尖端会发生周期性钝化，这一过程直接降低了后续循环阶段的裂纹扩展速率。最后，裂纹尖端的应力场会在“其他”类型原子聚集区周期性诱导微观空洞形核，空洞的演化（包括形核、聚集、合并与部分愈合）是疲劳损伤累积和裂纹扩展的一个关键微观机制。这项研究不仅深化了对AH36钢这一重要工程材料焊接接头失效机理的理解，而且所发展的MD-FEM多尺度模拟框架具有普适性，可推广应用于其他焊接区域乃至更广泛的材料疲劳损伤微观机制研究，为从原子尺度设计和评估抗疲劳材料与结构提供了有力的理论工具和新的研究思路。
