准确预测钛合金疲劳寿命

近日，有研究者利用透射电子显微镜(TEM)和离散位错塑性模型(DDP)准确地预测了代表喷射发动机旋转试验“最坏情况”的微结构寿命，该研究为航空发动机寿命的定量分析奠定了基础，对延长航空发动机的寿命，提高其可靠性和改善性能有着重要意义。相关论文发表在NatureCommunications上。

众所周知，20世纪50年代的彗星客机故障与疲劳有关，这类事故促使人们对这一现象进行研究，并将材料的疲劳强度作为基本设计参数。疲劳通常是指构件上应力低于名义屈服强度，没有明显缺陷或其他应力集中特征的条件下，由于存在交变应力而发生的破坏。疲劳强度成为结构材料的一个设计参数，小体积的试样可能不包含关键的微观结构缺陷，从而具有较高的疲劳寿命。失效可能是由于大体积构件在使用时发生不同机理的损伤而导致的，因此测试件故障的统计分析本身可能无法解决这个问题。

冷态疲劳发生在一些合金中，其中局部蠕变变形可能发生在取向良好的基体或滑移晶粒上，导致应力重新分布在取向不好的滑移晶粒上(与加载方向平行的c轴)。微组织区(MTRs)是由晶粒取向相似的连续晶粒团簇形成的。位错可以很容易地滑过具有高结晶共性的晶界，在由易滑移取向良好的晶粒组成的软宏观区和易滑移取向不好的晶粒硬宏观区之间的边界产生堆积。

TEM可用于研究裂纹萌生附近晶界上的位错相互作用。钛合金中的大量滑移导致了室温下的蠕变和随后的载荷降低。离散位错塑性模拟了位错的活动，其沿确定的滑移面的集体运动产生了金属内部的塑性。传统的二维DDP框架已经被用于研究各种加载条件下的局部微变形，包括拉伸、压缩、弯曲、压痕和滑动。

在此，研究者利用TEM、高分辨率电子背散射衍射(HR-EBSD)和DDP模型，通过综合试验和数值方法研究了钛合金Ti-834中的疲劳。为了避免采样问题，研究者特意创建了样本和模型，其中包含了最坏情况下的微观结构特征，即相邻的“硬”和“软”宏观区域。研究者证明，在Ti-834中，如果外加应力超过约0.80σy的阈值，棱柱滑移发生在软晶中，导致在硬晶界处位错堆积，从而导致硬-软晶界处的应力集中。循环载荷的减少以及循环过程中的温度偏移导致软颗粒中位错的密度大大降低，有时，硬颗粒中基体位错会完全消除。

综上所述，该工作对(有效)硬-软宏观区样品的停留疲劳检测工作提供了明确的证据，即透射电镜(TEM)揭示的棱镜在软晶粒中的滑移导致了位错堆积，这在棱柱上产生了高应力集中，并堆积在相邻的硬晶粒中。与此同时，典型微观结构的DDP模型显示，这些应力足够高，足以在硬晶粒中形成基底位错。通过模拟假设最坏情况下的微观结构特征，并安排测试材料也包含了这些特征，克服了试样的局限性。然后，模型和试验验证了在相对较低的应力下的驻留失效，这与在大型圆盘锻件的旋转试验中观察到的驻留失效非常相似。