準確預測鈦合金疲勞壽命

近日，有研究者利用透射電子顯微鏡(TEM)和離散位錯塑性模型(DDP)準確地預測了代表噴射發動機旋轉試驗“最壞情況”的微結構壽命，該研究為航空發動機壽命的定量分析奠定了基礎，對延長航空發動機的壽命，提高其可靠性和改善性能有著重要意義。相關論文發表在NatureCommunications上。

眾所周知，20世紀50年代的彗星客機故障與疲勞有關，這類事故促使人們對這一現象進行研究，并將材料的疲勞強度作為基本設計參數。疲勞通常是指構件上應力低于名義屈服強度，沒有明顯缺陷或其他應力集中特征的條件下，由于存在交變應力而發生的破壞。疲勞強度成為結構材料的一個設計參數，小體積的試樣可能不包含關鍵的微觀結構缺陷，從而具有較高的疲勞壽命。失效可能是由于大體積構件在使用時發生不同機理的損傷而導致的，因此測試件故障的統計分析本身可能無法解決這個問題。

冷態疲勞發生在一些合金中，其中局部蠕變變形可能發生在取向良好的基體或滑移晶粒上，導致應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(MTRs)是由晶粒取向相似的連續晶粒團簇形成的。位錯可以很容易地滑過具有高結晶共性的晶界，在由易滑移取向良好的晶粒組成的軟宏觀區和易滑移取向不好的晶粒硬宏觀區之間的邊界產生堆積。

TEM可用于研究裂紋萌生附近晶界上的位錯相互作用。鈦合金中的大量滑移導致了室溫下的蠕變和隨后的載荷降低。離散位錯塑性模擬了位錯的活動，其沿確定的滑移面的集體運動產生了金屬內部的塑性。傳統的二維DDP框架已經被用于研究各種加載條件下的局部微變形，包括拉伸、壓縮、彎曲、壓痕和滑動。

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，通過綜合試驗和數值方法研究了鈦合金Ti-834中的疲勞。為了避免采樣問題，研究者特意創建了樣本和模型，其中包含了最壞情況下的微觀結構特征，即相鄰的“硬”和“軟”宏觀區域。研究者證明，在Ti-834中，如果外加應力超過約0.80σy的閾值，棱柱滑移發生在軟晶中，導致在硬晶界處位錯堆積，從而導致硬-軟晶界處的應力集中。循環載荷的減少以及循環過程中的溫度偏移導致軟顆粒中位錯的密度大大降低，有時，硬顆粒中基體位錯會完全消除。

綜上所述，該工作對(有效)硬-軟宏觀區樣品的停留疲勞檢測工作提供了明確的證據，即透射電鏡(TEM)揭示的棱鏡在軟晶粒中的滑移導致了位錯堆積，這在棱柱上產生了高應力集中，并堆積在相鄰的硬晶粒中。與此同時，典型微觀結構的DDP模型顯示，這些應力足夠高，足以在硬晶粒中形成基底位錯。通過模擬假設最壞情況下的微觀結構特征，并安排測試材料也包含了這些特征，克服了試樣的局限性。然后，模型和試驗驗證了在相對較低的應力下的駐留失效，這與在大型圓盤鍛件的旋轉試驗中觀察到的駐留失效非常相似。