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曼徹斯特大學(xué)《Acta Materialia》新機(jī)制！實(shí)現(xiàn)鈦合金高周疲勞裂紋萌生量化預(yù)測(cè)

2022-05-05 16:46:34 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)金屬材料微觀尺度的疲勞裂紋仍然是工程領(lǐng)域一大挑戰(zhàn)，這主要源于裂紋萌生過(guò)程與微觀組織固有的敏感性。一種雙態(tài)組織的近a鈦合金TIMETAL?834因具有優(yōu)異的高溫性能以及良好的室溫疲勞強(qiáng)度，已成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。雙態(tài)組織中各組分的不均勻性在一定程度上增加了疲勞裂紋預(yù)測(cè)的難度。首先，有關(guān)裂紋的萌生位置仍然存在爭(zhēng)議，這是由于熱機(jī)械加工過(guò)程的元素偏析導(dǎo)致初生a相和次生a相強(qiáng)度不同。學(xué)者普遍認(rèn)為塑形滑移是導(dǎo)致疲勞失效發(fā)生在初生a相中的主要原因，但是缺乏從滑移形成到裂紋萌生過(guò)程的理解。此外，不同滑移類型對(duì)應(yīng)的裂紋萌生方式也有所不同，即使相同材料中因基面滑移所導(dǎo)致的裂紋萌生，其萌生機(jī)制仍然存在爭(zhēng)議。因此，開(kāi)展針對(duì)初期塑形滑移變形到裂紋萌位過(guò)程的原位研究并建立其與滑移相關(guān)關(guān)鍵晶粒取向信息、晶界結(jié)構(gòu)的量化關(guān)系是提高裂紋預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

近日，來(lái)自英國(guó)曼徹斯特大學(xué)國(guó)家先進(jìn)材料研究創(chuàng)新中心（Henry Royce Institute）的Michael Preuss教授團(tuán)隊(duì)首次闡明了雙態(tài)TIMETAL?834合金在高周疲勞加載條件下兩種同時(shí)存在的裂紋萌生機(jī)制。利用2D 和3D-EBSD表征技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)盡管沿晶裂紋和穿晶裂紋在材料表面均沿基面滑移萌生，但裂紋面形成過(guò)程顯著不同。其中沿晶裂紋與一種特殊的（0001）扭轉(zhuǎn)晶界有關(guān)，和穿晶裂紋相比，沿晶裂紋的尖端幾乎無(wú)塑性變形參與，通過(guò)沿（0001）面的快速解理斷裂形成，而穿晶裂紋則沿近（0001）面的斷裂面多步形成。此外，基于對(duì)裂紋萌生機(jī)制的多維度理解，提出全新的疲勞預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了裂紋萌生位置的量化預(yù)測(cè)并得到統(tǒng)計(jì)學(xué)研究驗(yàn)證。相關(guān)論文以題為“Multi-dimensional study of the effect of early slip activity on fatigue crack initiation in a near-a titanium alloy”發(fā)表在材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Acta Materialia》。劉璁慧博士為論文第一作者，Michael Preuss教授為論文通訊作者，該項(xiàng)目獲得了英國(guó)自然科學(xué)基金（EPSRC）和曼徹斯特大學(xué)校長(zhǎng)獎(jiǎng)學(xué)金資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117967

研究發(fā)現(xiàn)，在低應(yīng)力加載條件下a相的彈性及塑形各向異性導(dǎo)致雙態(tài)組織TIMETAL?834合金的塑性變形以等軸狀初生a相內(nèi)的基面滑移為主。穿晶和沿晶裂紋的萌生均沿平行于基面滑移跡線方向發(fā)生，并與局部滑移變形導(dǎo)致的表面粗化有關(guān)。穿晶裂紋沿（0001）晶面的萌生過(guò)程伴隨著柱面滑移激活，在（0001）面產(chǎn)生一系列臺(tái)階，因此形成了近（0001）斷裂面。通過(guò)對(duì)比數(shù)百個(gè)晶粒的量化研究，發(fā)現(xiàn)穿晶斷裂與晶面取向、C軸相對(duì)加載方向的取向、滑移方向相對(duì)于材料表面的取向相關(guān)，因此提出了包含以上三個(gè)因素的裂紋萌生判據(jù)。沿晶裂紋萌生與特殊的（0001）扭轉(zhuǎn)晶界有關(guān)，該晶界促進(jìn)了局部滑移變形，此外由于扭轉(zhuǎn)晶界本身的界面能更低，因此沿晶斷裂沿（0001）晶面以解理斷裂方式快速產(chǎn)生，沒(méi)有額外的塑形變形參與。

圖 1 雙態(tài)組織TIMETAL?834合金的工程拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線、顯微組織和晶粒取向分布圖

圖2 滑移激活晶粒和裂紋萌生晶粒的晶粒取向分布圖

圖3 穿晶斷裂和沿晶斷裂晶粒的3D-EBSD圖、斷裂面的3D重構(gòu)形貌和斷裂面與（0001）晶面的取向關(guān)系。

圖4 穿晶斷裂面的萌生機(jī)制

圖5沿晶斷裂面的萌生機(jī)制

圖6 穿晶裂紋萌生區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)和裂紋萌生預(yù)測(cè)因子F的有效性

本文研究了一種雙態(tài)組織近a鈦合金中兩種不同的疲勞裂紋萌生機(jī)制以及相關(guān)的關(guān)鍵微觀結(jié)構(gòu)因素，并實(shí)現(xiàn)了裂紋萌生位置的量化預(yù)測(cè)。這對(duì)提高疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性有著重要指導(dǎo)意義。對(duì)于裂紋萌生機(jī)制的多維度理解對(duì)優(yōu)化鈦合金的熱加工工藝參數(shù)和延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的服役周期提供了重要理論依據(jù)。

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