3-11、钛合金形变与疲劳损伤机制的多尺度模拟探索

Multiscale Exploration of the Deformation and Fatigue Damage Mechanisms in Titanium Alloys

徐东生，王皞，李学雄，周刚，张金虎，杨锐

中国科学院金属研究所

摘要：钛合金因强度高、密度低、耐腐蚀等诸多优良性能而广泛应用于航空、航天、化工等领域，近年来研究表明钛合金与人体具有良好的生物和力学相容性，因而越来越广泛地用于人体植入物及医疗器械等。然而，由于钛合金微观组织的多层次结构和力学性能来源的复杂性，人们对于其疲劳断裂行为的理解还不够深入，导致航空发动机中某些钛合金的疲劳断裂、特别是保载疲劳寿命的偏差很大，甚至可达1至2个数量级。在过去的几十年中，严重制约着钛合金在航空发动机中的有效利用和飞行安全。近年来的大量研究表明，这种疲劳寿命的显著差异与钛合金中的微织构，特别是α晶粒的某些特定晶粒取向组合有关，但究竟不同晶粒取向的组合如何影响形变和疲劳裂纹萌生的原子机制并不清楚，因而无法有效控制。

本研究采用电子、原子、微观组织以及宏观等不同尺度的模拟，结合实验表征及验证的材料基因工程研究方法，探索钛合金形变微观机制及裂纹萌生行为与微观组织及外界因素的关系，旨在为钛合金的更有效利用提供基础支撑。分子动力学模拟不同取向的晶界在不同外力作用下的形变与断裂过程表明，即使具有确定取向的两个相邻晶粒，其形变与断裂行为与二者之间界面的取向和应力的方向均有直接关系。某些特定取向的晶界具有较低的能量，且沿不同方向拉伸时其形变及断裂机制不同，可能产生晶界处萌生位错滑移、孪晶、界面开裂等不同的屈服现象。研究还发现了一种特殊的孪晶变形机制，在产生8%塑性变形的同时，可实现90度的晶格再取向。采用第一原理计算了不同合金元素对α钛中的滑移系选择倾向和特殊孪晶系开动能力的影响，发现某些元素可促进这种特殊孪晶机制的发生，为探索具有较低各向异性变形能力的合金元素选择指明方向。双相及双态组织的钛合金多晶变形的晶体塑性有限元模拟表明，局部的塑性变形常常在远低于屈服应力的条件下即开始，一般从晶界或多晶交线处开始，逐渐向晶内传递。由于两相具有不同的变形各向异性，某些晶粒取向组合可能导致较大的应力或应变分布非均匀性，特别是软、硬取向晶粒互相包围时。采用相场动力学模拟研究了不同因素对相变织构和变体选择的影响，表明局部微织构的形成与相变过程中的变体选择有关，应力和位错对变体选择均可有显著影响。外应力越大，其变体选择作用越强；而温度对变体选择的作用与距离相变点的温差有关，接近相变点时，应力对变体选择的作用很强，而远离相变点温度越低时，由于形核驱动力的加强，使变体选择的作用越弱。基于实验的多尺度模拟研究有助于钛合金形变与相变机制和规律的理解，可促进新的思路与机制的发现，为实验研究指明努力的新方向，有可能大幅度缩短合金从设计到应用的时间和降低研发费用，有力促进钛合金的应用。

关键词：钛合金；变形机制；疲劳；相变；多尺度模拟。

通讯作者：徐东生，电话：024-23971946，E-mail: dsxu@imr.ac.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.311