高温钛合金蠕变疲劳交互作用的双尺度裂纹模型修正

This project aims to study the creep-fatigue interaction in titanium superalloys from the perspective of multiscale model updating. The following issues will be addressed: ① Emphasis will be laid on the process of material degradation so that corresponding scale parameters can be reasonably assumed. ② Experiments on the creep-fatigue interaction of titanium superalloys will be carried out. The failure behavior thus can be experimentally achieved. ③ Based on the theoretical results and experimental data, scale parameters in the Dual scale crack growth model will be updated and determined. A possible explanation on the mechanism of creep-fatigue interaction will be proposed. This could offer a theoretical foundation for the new material designs and evaluation of aviation safety performance.

从多尺度模型修正的角度，对高温钛合金蠕变疲劳交互作用问题进行研究。主要研究内容包括：（1）深化对材料劣化过程的认识，实现对高温钛合金材料的相关尺度参数的合理假定；（2）开展高温钛合金蠕变疲劳试验研究，从试验角度揭示材料的破坏行为；（3）理论模型计算与试验数据相结合，修正并确定双尺度裂纹模型中的各项尺度参数。本项目从宏观及微观尺度相结合的视角，力图对蠕变疲劳交互作用机理提供新的可能解释，从而为新型材料设计及航空安全性能的评估提供一定理论依据。

蠕变-疲劳的交互作用广泛存在于航空、核能以及化工机械等工程领域。国家对航空领域投入的加大，新型合金材料在航空发动机中关键部位的应用，使得蠕变疲劳交互作用的问题更加突出。这种工作状态下的蠕变-疲劳交互作用呈现典型的热-机械交换行为。加之材料本身所带有的制造缺陷，这些缺陷或裂纹在蠕变及疲劳的交互作用下发生扩展，当达到临界状态时很快导致非稳态断裂而失效。因此，必须充分考虑蠕变-疲劳交互作用的影响才能较可靠地给出相应部件的安全使用寿命。.针对蠕变-疲劳交互作用的复杂性，本项目主要从三个方面来研究。首先，对双尺度裂纹扩展模型的发展与完善，清楚各项参数的物理意义，以达到对材料劣化过程的完整认识；其次，基于相关试验数据，对比理论模型预测结果，开展高温合金蠕变疲劳寿命预测；再之，根据上述理论及试验结果，修正并完善多尺度裂纹扩展模型，在钛合金的基础上推广应用到高温合金领域。.本项目在既有模型的基础上进行创新性地发展，建立了物理意义明确的多尺度裂纹扩展模型。该模型巧妙融入蠕变效应，充分考虑材料、载荷以及几何效应的影响，从而将蠕变-疲劳交互作用下材料失效断裂的全过程，通过裂纹扩展显示表达。该模型在钛合金材料上得到较好的验证，并在新型高温合金如2024-T3, 7075-T6等材料上也有良好的应用。与以往单纯的疲劳裂纹扩展模型相比，该多尺度模型能够克服原有模型单一尺度的局限，其预测结果更接近于试验数据。.该项目所建立的多尺度裂纹扩展模型为蠕变-疲劳交互作用的研究提供崭新的视角。对于热-机械这一复杂的热力学行为有着物理意义更为明确的解释。该理论模型可应用于新型合金材料的蠕变-疲劳寿命预测，也可为航空材料的失效性能评估提供合理的参考。