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《Nature》子刊：準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鈦合金駐留疲勞壽命！助力航空發(fā)動(dòng)機(jī)

2020-12-04 09:39:40 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

疲勞是一個(gè)復(fù)雜的多尺度建模問題，其核心是位錯(cuò)尺度上的局部塑性和微觀結(jié)構(gòu)，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(yīng)力保持在中等溫度下，導(dǎo)致循環(huán)壽命大幅降低。

近日，來(lái)自帝國(guó)理工學(xué)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(cuò)塑性模型，成功準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了代表噴射發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)的“最壞情況”的微結(jié)構(gòu)的壽命，該研究為航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的定量分析奠定基礎(chǔ)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命、可靠性和性能改善有著重要意義。相關(guān)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(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，并將疲勞抗力作為基本設(shè)計(jì)參數(shù)。疲勞通常發(fā)生在低于名義屈服應(yīng)力，沒有預(yù)先存在的缺口或其他應(yīng)力集中特征，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)特征，從而導(dǎo)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(gòu)件中使用時(shí)發(fā)生的機(jī)制不同而導(dǎo)致，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(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。

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(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（DDP）明確地模擬了位錯(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、微柱壓縮、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，通過綜合的實(shí)驗(yàn)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(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)過程中的溫度偏移導(dǎo)致軟顆粒中棱柱位錯(cuò)的密度大大降低，有時(shí)，硬顆粒中基底位錯(cuò)的完全消除。

圖1 熱機(jī)械疲勞循環(huán)的循環(huán)應(yīng)變演變。

圖2 顯示X型加載下位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的STEM復(fù)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(cuò)和堆積。

圖4 在Y型駐留加載條件下，軟/硬晶粒對(duì)中觀察到位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

圖5 Ti-IMI834硬/軟取向晶粒的離散位錯(cuò)建模。

圖6 HR-EBSD測(cè)量和DDP預(yù)測(cè)硬/軟取向晶粒的應(yīng)力。

圖7 位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的DDP模型和TEM表征。

圖8 對(duì)循環(huán)加載下的應(yīng)變進(jìn)行了離散位錯(cuò)塑性預(yù)測(cè)和測(cè)量。

圖9 循環(huán)應(yīng)力，和DDP預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的循環(huán)破壞。

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)。通過故意模擬假設(shè)的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，模型和實(shí)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。（文：水生）

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