Nature子刊：準確預測鈦合金駐留疲勞壽命！助力航空發動機

2020-12-05 材料material

疲勞是一個複雜的多尺度建模問題，其核心是位錯尺度上的局部塑性和微觀結構，具有重大的工程安全意義。冷駐留疲勞是鈦金屬中的一種現象，應力保持在中等溫度下，導致循環壽命大幅降低。


近日，來自帝國理工學院的Yilun Xu & Fionn P. E. Dunne等研究者，利用透射電子顯微鏡和離散位錯塑性模型，成功準確地預測了代表噴射發動機旋轉試驗的「最壞情況」的微結構的壽命，該研究為航空發動機壽命的定量分析奠定基礎，對航空發動機的壽命、可靠性和性能改善有著重要意義。相關論文以題為「Predicting dwell fatigue life in titanium alloys using modelling and experiment」發表在Nature Communications上。


論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19470-w


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，並將疲勞抗力作為基本設計參數。疲勞通常發生在低於名義屈服應力，沒有預先存在的缺口或其他應力集中特徵，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特徵，從而導致較高的疲勞壽命。更重要的是，失效可能是由於與在大體積構件中使用時發生的機制不同而導致，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稜柱滑移晶粒上，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。


透射電子顯微鏡(TEM)可用於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後的載荷降低。離散位錯塑性(DDP)明確地模擬了位錯的活動，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框架已經被用於研究各種加載條件下的局部微變形，包括拉伸、微柱壓縮、彎曲、壓痕和滑動。


在此，研究者利用TEM、高解析度電子背散射衍射(HR-EBSD)和DDP模型，通過綜合的實驗和數值方法研究了鈦合金Ti-834中的滯留疲勞。為了避免上述採樣問題，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徵，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，稜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稜柱位錯的密度大大降低，有時，硬顆粒中基底位錯的完全消除。


圖1 熱機械疲勞循環的循環應變演變。


圖2 顯示X型加載下位錯結構的STEM複合顯微照片。


圖3 軟/硬晶粒組合中的基面、稜柱和金字塔位錯和堆積。


圖4 在Y型駐留加載條件下，軟/硬晶粒對中觀察到位錯結構。


圖5 Ti-IMI834硬/軟取向晶粒的離散位錯建模。


圖6 HR-EBSD測量和DDP預測硬/軟取向晶粒的應力。


圖7 位錯結構的DDP模型和TEM表徵。


圖8 對循環加載下的應變進行了離散位錯塑性預測和測量。


圖9 循環應力，和DDP預測和實驗測量的循環破壞。



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)揭示的稜鏡在軟晶粒中的滑移導致了位錯堆積，這在稜柱上產生了高應力集中，並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。通過故意模擬假設的最壞情況下的微觀結構特徵，並安排測試材料也包含了這些特徵，克服了試樣的局限性。然後，模型和實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。（文：水生）


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