先进高温钛合金质料设计、加工、使用要害手艺

揭晓时间：2022-12-19 14:04

长寿命、高可靠是重大工程装备的主要指标，，，，，特殊是以先进航空发念头和高铁车轴为代表的要害部件，，，，，服役寿命内遭受凌驾107甚至1010周次的循环载荷作用，，，，，进入了超高周疲劳（即107周次以上的疲劳）研究领域，，，，，这倾覆了古板基于疲劳极限（对应107周次）的疲劳强度与寿命设计理念，，，，，成为近年来疲劳研究的前沿和热门。。因此，，，，，研究展现超高周疲劳的微观机理和纪律等科学问题，，，，，建设疲劳寿命与疲劳强度的准确展望模子，，，，，具主要的科学意义和工程应用价值。。

中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室微结构盘算力学课题组以航空发念头用TC17钛合金和增材TC4钛合金为研究工具，，，，，展现疲劳载荷历程中形成的形变孪晶和纳米晶是钛合金超高周疲劳裂纹萌生和演化的主要因素（图1），，，，，提出钛合金超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展机理（图2）；；研究通过变幅加载设计，，，，，测得超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展区域的等效裂纹扩展速率在10-13~10-11 m/cyc量级（图3a和3b），，，，，进而对超高周疲劳寿命举行展望，，，，，展望效果与实验效果吻合（图3c）。。

研究发明，，，，，质料缺陷不但会显著降低钛合金的疲劳性能，，，，，并且缺陷对高周及超高周疲劳行为的影响与缺陷的引入形式亲近有关。。关于质料内部缺陷，，，，，高周和超高周疲劳S–N曲线泛起一连下降特征，，，，，而外貌人工缺陷试样S–N曲线具平台区特征（图4）。。原位显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜视察批注，，，，，与内部缺陷诱导的超高周疲劳失效差别，，，，，外貌人工缺陷诱导的超高周疲劳未泛起缓慢的、随纳米晶粒形成的裂纹萌生和初始扩展历程，，，，，一旦裂纹萌生，，，，，裂纹将快速增添，，，，，试样在很少周次内失效（图5）。�？？？？？？蒲兄霸币晕庵质瞧＠驮睾捎胧奔湎喙乩蹋ㄈ缢跋臁⑶獾淖饔玫龋┑男饔盟隆�。研究进一步提出试样几何形状及外貌缺陷对钛合金高周和超高周疲劳强度的影响模子。。该模子不但可用于关联缺陷对钛合金疲劳强度的影响（图6a），，，，，并且有用用于文献中缺陷（包括裂纹）对一些金属质料高周疲劳强度的影响（图6b-6f）。。

科研团队对几种常用的应力比对高周疲劳强度影响模子在超高周疲劳领域的展望能力举行了比照研究。。多种质料实验数据批注，，，，，Walker公式σα，，，，，R=σα，，，，，-1[(1–R)/2]γ相比Goodman公式σa，，，，，R=σα，，，，，-1[1–(σm/σb)]及Smith-Watson-Topper公式σa，，，，，R=σα，，，，，-1 [(1–R)/2]1/2，，，，，更好地展望应力比对超高周疲劳强度的影响（图7），，，，，其中σα，，，，，R和σα，，，，，-1划分是应力比R和–1下的疲劳强度，，，，，σm和σb是平均应力和拉伸强度，，，，，γ是质料参数。。

研究事情获得国家自然科学基金基础科学中心“非线性力学的多标准问题研究”项目、国家自然科学基金重大研究妄想“航空发念头高温质料/先进制造及故障诊断科学基础”培育项目等的支持。。部分研究效果与北交大等相助完成，，，，，主要研究效果揭晓在Int. J. Fatigue 2023, 166: 107299；；2023, 167: 107331; 2022, 160: 106862；；Eng. Fract. Mech. 2022, 259: 108136；；2022, 272: 108721；；2022, 276: 108940；；J. Mater. Sci. Technol. 2022, 122: 128-140；；Theor. Appl. Fract. Mech. 2022, 119: 103380。。

图1.TC17钛合金扫描电子显微镜和电子背散射衍射视察效果(σα=588 MPa, R=–1, Nf=1.4×10^8 cyc)。。

（a）试样局部区域扫描电子显微镜图像，，，，，（b-d）划分是图a中方框区域的反极图、相图以及母体晶粒和孪晶变体基面的施密特因子，，，，，（e）微裂纹周围扫描电子显微镜图像，，，，，（f-h）划分是图e中方框区域的反极图、相图以及母体晶粒和孪晶变体基面的施密特因子，，，，，加载偏向沿着纸面向上和向下。。

图2.钛合金超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展机理示意图。。

（i）疲劳载荷历程中位错塞积引起的局部高应力诱导孪晶、滑移或微裂纹的形成。。（ii）孪晶系统或位错之间的相互作用导致位错胞或位错墙的形成，，，，，进而形成微标准滑移带和亚微米晶粒，，，，，最终形成纳米晶粒；；然后，，，，，微裂纹沿着纳米晶粒-粗晶粒界面或在纳米晶粒区域内形成。。此历程中，，，，，由于微结构不匀称或变形不协调，，，，，微裂纹的形成也可以与晶粒细化无关，，，，，即微裂纹形成于α相团簇、较大的α相或α-β界面。。（iii）微裂纹增添或联接，，，，，并在疲劳载荷历程中进一步诱导晶粒细化或微裂纹的形成。。（iv）历程（iii）继续，，，，，直到裂纹萌生和初始扩展阶段竣事。。

图3.增材TC4钛合金超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展速率与寿命展望。。

（a）变幅加载下SEM照片（σα，，，，，H=600 MPa, σα，，，，，L=400 MPa, R=–1, σα，，，，，L下累积1.6×10^8周次），，，，，（b）裂纹萌生和初始扩展区域（Fine Granular Area, FGA）内等效裂纹扩展速率与文献中裂纹扩展速率的较量，，，，，（c）差别应力比下S–N数据以及R=–1下疲劳寿命展望效果与实验效果的较量。。