Alpha/Beta钛合金中微尺度片层结构疲劳损伤机理的研究

深入理解钛合金疲劳损伤起源与组织结构间关系对于高疲劳损伤容限钛合金结构构件的设计具有重要的理论指导意义。本项目选取具有Aalpha/Beta片层组织钛合金作为研究对象，从合金中的基本单元（集束区域）出发，利用微加工手段直接制备出含有确定取向片层以及确定取向集束界面的微尺度疲劳样品，深入考察合金中集束界面、片层尺度与取向对疲劳损伤行为的影响；结合高分辨的场发射扫描电镜、电子背散射衍射以及聚焦离子束的三维定点分析技术，确定集束单元的疲劳损伤的晶体学特征；阐明片层中滑移系开动能力、片层取向及界面对循环应变局部化行为的作用规律；建立片层尺度、取向以及集束界面取向与合金疲劳损伤起源及其演化行为间的定量关系；澄清片层结构和集束界面的疲劳裂纹萌生的物理机制。项目不仅为高服役性能钛合金组织结构的优化与设计提供理论参考依据，并为具有复杂组织结构的材料力学性能本质的深入认识提供新的研究方法和实验表征技术。

本项目选取了具有Aalpha/Beta 片层组织钛合金作为研究对象，从合金中的基本单元（集束区域）出发，利用微加工手段直接制备了出含有确定取向片层以及确定取向集束界面的微尺度疲劳样品，深入考察了具有片层结构的层状材料基本单元的塑性变形行为，考察了合金中集束界面、片层尺度与取向对疲劳损伤行为的影响；结合高分辨的场发射扫描电镜以及电子背散射衍射分析技术，确定了集束单元的疲劳损伤的晶体学特征；阐明片层中滑移系开动能力、片层取向及界面对循环应变局部化行为的作用规律；建立片层尺度、取向以及集束界面取向与合金疲劳损伤起源及其演化行为间的定量关系；澄清了片层结构和集束界面的疲劳裂纹萌生的物理机制。项目取得如下主要创新结果：.（1）探究了层状结构单元的基本变形行为及物理机制。提出了“切应力诱导纳米层状材料塑性变形能力再生”的全新物理机制。在原子尺度上揭示了平行于层界面的切应力分量能够解锁点阵位错-异质层界面反应产物，从而促进了位错跨过异质界面，导致片层结构大塑性连续薄化变形的基本规律。.（2）对具有单一束集厚度的alpha/beta片层结构TC11钛合金双悬臂梁疲劳样品的实验研究发现，与块体TC11钛合金相比，合金的低周疲劳性能明显降低；而在高周疲劳区，单一束集厚度的钛合金疲劳性能优于块体合金。对单一束集单元的EBSD晶体学分析表明，疲劳损伤起源于两个锥面滑移，这与局部的片层取向、加载轴取向以及变形方式有关。.（3）对标距区内仅含有几个束集的具有单一束集厚度的alpha/beta片层结构Ti合金微尺度样品进行了原位拉伸的实验研究与EBSD表征。研究发现，微尺寸样品的拉伸断裂并不是发生在具有最大Schmid因子的束集片层内，而是取决束集单元中的应变大小。提出了束集单元拉伸断裂损伤取决于其局部应变大小的损伤准则。.（4）对具有alpha/beta片层组织的TC11合金进行了不同温度下的压缩变形实验研究。发现：在较低温度下，由于宏观剪切带的作用，晶粒内部不同集束区中的alpha/beta片层被严重剪切，最终导致微裂纹的出现；而在高温下，应变局部化的剪切带变形不明显，材料中的alpha/beta片层在宏观剪切应力的作用下沿切应力方向发生强烈扭折、片层碎化和球化。为此，基于位错的跨界面剪切理论和弹性屈曲理论计算了TC11合金不同温度下变形行为的转变规律。