钛合金宏观性能与组织特征应变局部化关联关系

Strain localization is a key issue for detailed understanding the relationship between the microstructures and mechanical properties of titanium alloy. By using the experimental, theoretical and finite element simulation methods, a finite element model is established to investigate the strain localization bands of microstructural features in titanium alloy. The model is based on the morphological structures and constitutive equations of real microstructures. The effect of morphology, size, distribution, volume fraction and property of microstructural features, and the coupling effects of these factors on the strain localization bands are investigated by the established model. The strain localization bands are quantitatively analyzed and their effects on the mechanical properties of titanium alloy are investigated. The microstructures of titanium alloy are optimized based on the analysis of strain localization bands. Afterwards, the mechanical properties of titanium alloy are optimized by controlling the strain localization bands based on adjustment of the microstructural features of titanium alloy. The investigations will deepen the understanding of the relationship between the microstructures and mechanical properties of titanium alloy and provide a basis to optimize the microstructure and to produce high performance titanium alloy used in aviation and aerospace industries.

组织特征应变局部化是深入认识钛合金微观组织与宏观性能关系迫切需要研究解决的关键基础问题。综合采用实验、理论和有限元仿真方法，研究基于钛合金真实组织特征形态结构建模和本构建模的方法，建立组织特征应变局部化带仿真的有限元模型；研究组织特征形态、尺寸、分布、含量和性能等多因素耦合与应变局部化带关联关系并揭示其影响规律；基于应变局部化带的量化分析，研究组织特征应变局部化带对钛合金宏观性能的影响规律；研究建立基于应变局部化带优化设计钛合金微观组织的方法和理论，实现通过钛合金微观组织控制应变局部化带优化钛合金宏观性能。该研究对发展钛合金微观组织与宏观性能关系具有重要的意义，并可为航空航天用钛合金的组织设计和高性能制备提供依据。

微观结构不均性导致的局部化变形对钛合金性能有显著的影响。局部化变形耦合了微观结构几何参数和性能的影响，因此研究揭示组织特征参数对局部化变形的影响，并分析局部化变形对钛合金性能的影响规律和机理，是一种新的建立钛合金组织性能关系的方法。发展了真实微观组织几何建模和本构建模的方法，建立了基于真实组织的有限元模型，在施加周期性边界条件的基础上，通过宏观拉伸曲线验证了模型的可靠性。在建立的真实微观组织有限元模型的基础上，揭示了组织特征对局部化变形的影响和不均匀变形演变规律；基于局部化变形，定量揭示了微观组织特征以及组织特征界面对钛合金宏观性能的影响规律；通过实验获得了等轴α相不变，片层α相局部化变形模式，以及等轴α相含量和片层α相尺寸同时变化时，微观结构的局部化变形模型，分析了微观结构局部化变形对钛合金宏观性能的影响，得到了获得良好韧性的微观结构体积比；在定量表征局部化变形的基础上，得到了微观组织参数与材料性能的关系图，实现了钛合金组织的优化设计。研究成果对建立准确的钛合金组织性能关系，优化钛合金组织，发展高性能钛合金具有重要的科学与实际意义。