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【圖文摘要】缺口根部半徑對Ti-55531合金多層次片層組織高周疲勞性能和裂紋萌生行為的影響

2023-07-12 14:18:30 作者：材料疲勞CFS 來源：材料疲勞CFS 分享至：

缺口根部半徑對Ti-55531合金多層次片層組織高周疲勞性能和裂紋萌生行為的影響

張忠^a，黃朝文^a,b,c*，許子路^a，楊江^d，龍紹檑^d，譚長生^e**，萬明攀^a，劉丹^a，冀勝利^b，曾衛東^c

^a貴州大學高性能金屬結構材料與制造技術國家地方聯合工程實驗室，貴陽 550025；

^b貴州安大航空鍛造有限責任公司，安順 561000；

^c西北工業大學凝固技術國家重點實驗室，西安710072；

^d貴州理工學院材料與能源工程學院，貴陽550003;

^e西安理工大學材料科學與工程學院，西安710048

貴州大學黃朝文教授課題組前期研究發現，除顯微組織外，應力或應變參數的改變，也顯著影響鈦合金的高周(Int. J. Fatigue., 2017,94:30-40.; J. Alloy. Compd., 2017,695:1966-1975; Mater. Sci. Eng. A, 2017,682:107-116.)和低周拉壓疲勞(Mater. Sci. Eng. A, 2021,803:140505.; Int. J. Fatigue, 2022,156:106678.)的循環變形、裂紋萌生機制及疲勞壽命。但組織和缺口參數對鈦合金高周疲勞損傷的協同影響機制尚不明晰。另外，片層組織是鈦合金的典型服役組織，具有類似片狀馬氏體的多層次特征，依據尺寸從大到小依次可劃分為：第一層次(原始β晶粒)；第二層次(原始β晶粒內的α集束)；第三層次(α集束內平行排列的α片)。不同層次組織對合金的強塑性、韌性有顯著影響(Mater. Des., 2019, 180, 107898; Mater. Sci. Eng. A, 2019, 740-741, 121-129; J. Mater. Sci., 2021, 56, 8848-8870)，但其對疲勞損傷影響機制也尚不清楚。因此，結合鈦合金多層次片層組織特征和實際構件含缺口(如軸肩、鍵槽等)的現象，本文設計了R= 0.75、0.34 和0.14 mm三種不同缺口根部半徑試樣；系統研究了不同組織層次和不同缺口根部半徑對Ti-55531合金高周疲勞損傷微觀機制的協同影響規律；闡明了顯著影響缺口根部循環塑性變形的關鍵組織單元和相關的循環變形機制等。此外，采用ANSYS有限元方法，模擬研究了缺口根部應力和應變分布，進一步驗證了疲勞實驗分析的準確性(圖1)。主要結論如下：

圖1實驗分析方法流程示意圖

(1) 合金的循環變形由次生α片內的位錯滑移和變形孿晶主導。所有缺口高周疲勞試樣的主要疲勞裂紋萌生微觀機制均為大量的滑移和孿晶引起的α/β界面開裂，少量粗大α次生片內部滑移帶及孿晶界面開裂和少量的原始β晶界開裂。發現不同層次的顯微組織對鈦合金缺口高周疲勞裂紋萌生影響程度依次為：α片＞α集束＞β晶界。

(2) 隨缺口根部半徑的減小，應力集中系數增大，孿晶體積分數先顯著增加然后恒定，滑移占比逐漸減小(圖2)。當缺口根半徑最小(R = 0.14 mm)、應力集中系數最大(K_t = 4)時，除了滑移和孿晶外，還產生了明顯的層錯(6.57%)。層錯促進α/β界面開裂及α片內萌生微裂紋，是合金高周疲勞裂紋的另一重要萌生機制。

圖2不同缺口狀態下不同循環變形機制的占比情況

相關成果近期以《Influence of notch root radius on high cycle fatigue properties and fatigue crack initiation behavior of Ti-55531 alloy with a multilevel lamellar microstructure》為題已在J. Mater. Res. Technol. 2023，24：6293-6311期刊上發表。該成果獲得了國家自然科學基金(51801037和52061005)的資助。

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