钛合金疲劳小裂纹扩展的多尺度分段模型与原位试验研究

Initiation and propagation of short and long fatigue cracks are evolved in the fatigue life prediction of aeronautical metal materials. The evolutionary mechanism of macroscopic/long cracks has been clearly understood. However, despite that the stage of short fatigue crack growth is substantial in the whole fatigue life, theories on its growth mechanism is still to be developed and unified. This can be attributed to the microstructurally small crack (MSC) and physically small crack (PSC) at microscopic scale, which is predominantly controlled by microstructural characters and mechanical mechanism, respectively. The distinctive feature of segmentation has made the traditional models inefficient. Based on the previously formulated multiscale fatigue crack growth model, this project aims to carry out the strategy of segmentation in the framework of multiscaling. Firstly, based on the theory of strain energy density, the material, loading and geometry transitional functions are defined in the model and physically reasonable expression of crack driving force is formulated. Subsequently, typical aeronautical material titanium alloys are adopted to perform the in-situ test of short fatigue crack growth. Further model updating is necessitated according to the experimental data. Predicted results of the multiscale segmentation model are compared with the fatigue test result of titanium alloys, such that validity and practicality of the model is verified. Completion of the project will offer reliable theoretical basis to the fatigue life prediction of aeronautical metal materials.

航空金属材料疲劳全寿命预测涉及小裂纹萌生与扩展、宏观裂纹形成与扩展等多个阶段。对宏观裂纹的演化机制已有较清晰的认识；然而，尽管疲劳小裂纹的扩展在材料全寿命中占据更大比重，对其扩展机制的研究仍远未成熟与统一。这是由于: 从微观尺度上看，小裂纹扩展存在微观结构小裂纹和物理小裂纹两个阶段，其主导因素分别为微观材料组织形式及宏观力学表征；显著的分段特征使传统模型效果不佳。在疲劳小裂纹多尺度模型基础上，本项目从不同的扩展机制出发，在多尺度框架下采用分段策略。首先，基于应变能密度理论，定义多尺度分段模型中材料、加载及几何函数方程，构建物理意义清晰的裂纹驱动力表达；之后，针对航空钛合金材料，开展疲劳小裂纹扩展的原位试验，结合试验数据对多尺度分段模型反复修正；最后，将多尺度分段模型的预测结果与疲劳试验曲线相对比，证实理论模型的实际有效性。该项目的顺利实施，将为航空金属材料的疲劳寿命评估提供可靠的理论依据。

航空合金材料的疲劳全寿命涵盖小裂纹的萌生与扩展，宏观长裂纹的形成以及最终失效等多个阶段。疲劳小裂纹的萌生与扩展在材料全寿命中占据主体比重，对其萌生及扩展机制的研究仍是一个亟待解决的挑战性难题。本项目旨在针对航空合金材料，聚焦微观材料组织阶段影响下的疲劳裂纹萌生与扩展，构建多尺度框架下的航空合金材料的疲劳寿命预测策略。主要研究内容为:（1）微观组织与几何缺陷共同作用下的航空金属材料的疲劳裂纹萌生与扩展机制；（2）构建物理意义明确的航空合金材料多尺度疲劳裂纹扩展模型，实现合理的材料疲劳寿命预测。取得的重要研究成果包括：（1）开展钛合金材料的疲劳小裂纹扩展试验研究，分析表面缺陷形貌引起的疲劳寿命和裂纹扩展路径，发现微观材料组织及几何缺陷是影响疲劳裂纹萌生的主要因素，裂纹萌生点位受微观缺陷形貌的综合影响；（2）针对多样化缺陷，进一步从数值角度探讨双相钛合金材料的疲劳裂纹萌生机制。研究发现裂纹主要萌生于几何应力集中和微观结构不均匀区域。其中，几何应力集中因素可归结为影响区域面积和集中程度两个方面，由于菱形缺陷几何顶角较高的应力集中程度，该位点通常具有最大变形。矩形缺陷引起的几何应力集中区域较大而程度不高，裂纹萌生受微观结构因素的更大影响，其位点分布更具随机性；（3）基于Chapetti小裂纹门槛值，以及裂尖局部屈服强度表达，建立了多尺度裂纹扩展速率模型。模型以晶粒尺寸作为微观参量反映了裂纹扩展过程中的微观结构效应，有效解释了不同扩展阶段中的阻力机制；（4）基于建立模型预测了钛合金Ti-6Al-4V, 铝合金2024-T3 以及镍基合金GH4169等材料的裂纹扩展速率及疲劳寿命，预测结果与试验结果基本一致，且趋于安全，并进一步定量表征平均晶粒尺寸与转变因子之间的经验关联，以探究微观结构与裂纹扩展阶段转变行为的相关性。本项目所探讨的融合微观组织与缺陷效应的多尺度疲劳裂纹扩展模型，描述了材料疲劳失效全过程的内在机制，丰富和完善了相关合金疲劳理论。