準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鈦合金疲勞壽命

近日，有研究者利用透射電子顯微鏡(TEM)和離散位錯(cuò)塑性模型(DDP)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了代表噴射發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)“最壞情況”的微結(jié)構(gòu)壽命，該研究為航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的定量分析奠定了基礎(chǔ)，對(duì)延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，提高其可靠性和改善性能有著重要意義。相關(guān)論文發(fā)表在NatureCommunications上。

眾所周知，20世紀(jì)50年代的彗星客機(jī)故障與疲勞有關(guān)，這類事故促使人們對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行研究，并將材料的疲勞強(qiáng)度作為基本設(shè)計(jì)參數(shù)。疲勞通常是指構(gòu)件上應(yīng)力低于名義屈服強(qiáng)度，沒(méi)有明顯缺陷或其他應(yīng)力集中特征的條件下，由于存在交變應(yīng)力而發(fā)生的破壞。疲勞強(qiáng)度成為結(jié)構(gòu)材料的一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，小體積的試樣可能不包含關(guān)鍵的微觀結(jié)構(gòu)缺陷，從而具有較高的疲勞壽命。失效可能是由于大體積構(gòu)件在使用時(shí)發(fā)生不同機(jī)理的損傷而導(dǎo)致的，因此測(cè)試件故障的統(tǒng)計(jì)分析本身可能無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)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滑移晶粒上，導(dǎo)致應(yīng)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(tuán)簇形成的。位錯(cuò)可以很容易地滑過(guò)具有高結(jié)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。

TEM可用于研究裂紋萌生附近晶界上的位錯(cuò)相互作用。鈦合金中的大量滑移導(dǎo)致了室溫下的蠕變和隨后的載荷降低。離散位錯(cuò)塑性模擬了位錯(cuò)的活動(dòng)，其沿確定的滑移面的集體運(yùn)動(dòng)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、壓縮、彎曲、壓痕和滑動(dòng)。

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(guò)綜合試驗(yàn)和數(shù)值方法研究了鈦合金Ti-834中的疲勞。為了避免采樣問(wèn)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(jié)構(gòu)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(yīng)力超過(guò)約0.80σy的閾值，棱柱滑移發(fā)生在軟晶中，導(dǎo)致在硬晶界處位錯(cuò)堆積，從而導(dǎo)致硬-軟晶界處的應(yīng)力集中。循環(huán)載荷的減少以及循環(huán)過(guò)程中的溫度偏移導(dǎo)致軟顆粒中位錯(cuò)的密度大大降低，有時(shí)，硬顆粒中基體位錯(cuò)會(huì)完全消除。

綜上所述，該工作對(duì)(有效)硬-軟宏觀區(qū)樣品的停留疲勞檢測(cè)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(dǎo)致了位錯(cuò)堆積，這在棱柱上產(chǎn)生了高應(yīng)力集中，并堆積在相鄰的硬晶粒中。與此同時(shí)，典型微觀結(jié)構(gòu)的DDP模型顯示，這些應(yīng)力足夠高，足以在硬晶粒中形成基底位錯(cuò)。通過(guò)模擬假設(shè)最壞情況下的微觀結(jié)構(gòu)特征，并安排測(cè)試材料也包含了這些特征，克服了試樣的局限性。然后，模型和試驗(yàn)驗(yàn)證了在相對(duì)較低的應(yīng)力下的駐留失效，這與在大型圓盤鍛件的旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中觀察到的駐留失效非常相似。