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《Nature》子刊:准确预测钛合金驻留疲劳寿命!助力航空发动机

 材料科学网 2020-12-04
疲劳是一个复杂的多尺度建模问题,其核心是位错尺度上的局部塑性和微观结构,具有重大的工程安全意义。冷驻留疲劳是钛金属中的一种现象,应力保持在中等温度下,导致循环寿命大幅降低。

近日,来自帝国理工学院的Yilun Xu & Fionn P. E. Dunne等研究者,利用透射电子显微镜和离散位错塑性模型,成功准确地预测了代表喷射发动机旋转试验的“最坏情况”的微结构的寿命,该研究为航空发动机寿命的定量分析奠定基础,对航空发动机的寿命、可靠性和性能改善有着重要意义。相关论文以题为“Predicting dwell fatigue life in titanium alloys using modelling and experiment”发表在Nature Communications上。

论文链接:
/articles/s41467-020-19470-w


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,并将疲劳抗力作为基本设计参数。疲劳通常发生在低于名义屈服应力没有先存在的缺口或其他应力集中特征,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特征,从而导致较高的疲劳寿命。更重要的是,失效可能是由于与在大体积构件中使用时发生的机制不同而导致,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棱柱滑移晶粒上,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。

透射电子显微镜(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(DDP)明确地模拟了位错的活动,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、微柱压缩、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,通过综合的实验和数值方法研究了钛合金Ti-834中的滞留疲劳。为了避免上述采样问题,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棱柱位错的密度大大降低,有时,硬颗粒中基底位错的完全消除。

图1 热机械疲劳循环的循环应变演变。


图2 显示X型加载下位错结构的STEM复合显微照片。


图3 软/硬晶粒组合中的基面、棱柱和金字塔位错和堆积。

图4 在Y型驻留加载条件下,软/硬晶粒对中观察到位错结构。

图5 Ti-IMI834硬/软取向晶粒的离散位错建模。

图6 HR-EBSD测量和DDP预测硬/软取向晶粒的应力。

图7 位错结构的DDP模型和TEM表征。

图8 对循环加载下的应变进行了离散位错塑性预测和测量。

图9 循环应力,和DDP预测和实验测量的循环破坏。


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。通过故意模拟假设的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,模型和实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。(文:水生)

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