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《Nature》子刊：準確預測鈦合金駐留疲勞壽命！助力航空發(fā)動機

2020-12-04 09:39:40 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

疲勞是一個復雜的多尺度建模問題，其核心是位錯尺度上的局部塑性和微觀結構，具有重大的工程安全意義。冷駐留疲勞是鈦金屬中的一種現(xiàn)象，應力保持在中等溫度下，導致循環(huán)壽命大幅降低。

近日，來自帝國理工學院的Yilun Xu & Fionn P. E. Dunne等研究者，利用透射電子顯微鏡和離散位錯塑性模型，成功準確地預測了代表噴射發(fā)動機旋轉試驗的“最壞情況”的微結構的壽命，該研究為航空發(fā)動機壽命的定量分析奠定基礎，對航空發(fā)動機的壽命、可靠性和性能改善有著重要意義。相關論文以題為“Predicting dwell fatigue life in titanium alloys using modelling and experiment”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19470-w

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眾所周知，20世紀50年代的彗星客機故障與疲勞有關，這類事故促使人們對這一現(xiàn)象進行研究，并將疲勞抗力作為基本設計參數(shù)。疲勞通常發(fā)生在低于名義屈服應力，沒有預先存在的缺口或其他應力集中特征，疲勞強度成為結構材料的一個設計參數(shù)。小體積的試樣可能不包含關鍵的微觀結構特征，從而導致較高的疲勞壽命。更重要的是，失效可能是由于與在大體積構件中使用時發(fā)生的機制不同而導致，因此測試件故障的統(tǒng)計分析本身可能無法解決這個問題。

冷態(tài)疲勞發(fā)生在一些合金中，其中局部蠕變變形可能發(fā)生在取向良好的基體或棱柱滑移晶粒上，導致應力重新分布在取向不好的滑移晶粒上（與加載方向平行的c軸）。微組織區(qū)（MTRs），是由晶粒取向相似的連續(xù)晶粒團簇形成的。位錯可以很容易地滑過具有高結晶共性的晶界，在由易滑移取向良好的晶粒組成的軟宏觀區(qū)和易滑移取向不好的晶粒硬宏觀區(qū)之間的邊界產(chǎn)生堆積。

透射電子顯微鏡（TEM）可用于研究裂紋萌生附近晶界上的位錯相互作用。鈦合金中的大量滑移導致了室溫下的蠕變和隨后的載荷降低。離散位錯塑性（DDP）明確地模擬了位錯的活動，其沿確定的滑移面的集體運動產(chǎn)生了金屬內(nèi)部的塑性。傳統(tǒng)的二維DDP框架已經(jīng)被用于研究各種加載條件下的局部微變形，包括拉伸、微柱壓縮、彎曲、壓痕和滑動。

在此，研究者利用TEM、高分辨率電子背散射衍射（HR-EBSD）和DDP模型，通過綜合的實驗和數(shù)值方法研究了鈦合金Ti-834中的滯留疲勞。為了避免上述采樣問題，研究者特意創(chuàng)建了樣本和模型，其中包含了最壞情況下的微觀結構特征，即相鄰的“硬”和“軟”宏觀區(qū)域。研究者證明，在Ti-834中，如果外加應力超過約0.80σy的閾值，棱柱滑移發(fā)生在軟晶中，導致在硬晶界處位錯堆積，從而導致硬-軟晶界處的應力集中。循環(huán)載荷的減少以及循環(huán)過程中的溫度偏移導致軟顆粒中棱柱位錯的密度大大降低，有時，硬顆粒中基底位錯的完全消除。

圖1 熱機械疲勞循環(huán)的循環(huán)應變演變。

圖2 顯示X型加載下位錯結構的STEM復合顯微照片。

圖3 軟/硬晶粒組合中的基面、棱柱和金字塔位錯和堆積。

圖4 在Y型駐留加載條件下，軟/硬晶粒對中觀察到位錯結構。

圖5 Ti-IMI834硬/軟取向晶粒的離散位錯建模。

圖6 HR-EBSD測量和DDP預測硬/軟取向晶粒的應力。

圖7 位錯結構的DDP模型和TEM表征。

圖8 對循環(huán)加載下的應變進行了離散位錯塑性預測和測量。

圖9 循環(huán)應力，和DDP預測和實驗測量的循環(huán)破壞。

綜上所述，該工作對（有效）硬-軟宏觀區(qū)樣品的停留疲勞檢測工作提供了明確的證據(jù)，即透射電鏡（TEM）揭示的棱鏡在軟晶粒中的滑移導致了位錯堆積，這在棱柱上產(chǎn)生了高應力集中，并堆積在相鄰的硬晶粒中。與此同時，典型微觀結構的DDP模型顯示，這些應力足夠高，足以在硬晶粒中形成基底位錯。通過故意模擬假設的最壞情況下的微觀結構特征，并安排測試材料也包含了這些特征，克服了試樣的局限性。然后，模型和實驗驗證了在相對較低的應力下的駐留失效，這與在大型圓盤鍛件的旋轉試驗中觀察到的駐留失效非常相似。（文：水生）

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