钛合金材料断口定量反推研究

Titanium alloy is widely used in aviation, aerospace, navigation, petroleum, chemical industry and so on, and it is a kind of national strategic material. With the continuous expansion of the titanium alloy utilization and with the working condition becoming harser and harser, the failure of the titanium alloy components is becoming inevitable. Because the consequence of the failure is always catastrophic, it is necessary to investigate the reasons leading to the failure and take measures to prevent from failing again. Fracture surfaces record the whole process of failure of the material under loads and enviroments, to extract and analyze the failure information included in the fracture surface is very important for failure analysis. Based on the knowledge of fractography and fracture mechanics, by analysing the fracture mechanism of the titanium alloy, the research is intended to set up a new method which can quantatitively deduce the fracture parameters during the course of crack extension reversely by building the three-dimensional models of fracture surfaces, analyzing the macro and micro morphology, matching the pair of fracture surfaces, simulating the process of fracture and analyzing the crack-tip stress and strain field. By this means, the reasons leading to the failure can be clearly investigated by just analyzing the fracture surfaces while simulation experiments are unnecessary. The results of the research can provide theoretical basis for the application, failure analysis and prevetion of the titanium alloy.

钛合金广泛应用于航天、航空、航海、石油、化工等领域，是一种国家战略性材料，随着钛合金应用领域的不断扩大和使用条件的日益苛刻，其构件的断裂失效在所难免，所造成的后果往往是灾难性的，因此明确失效的原因、采取措施防止事故的重演就显得尤为重要。断口记录了材料在载荷、环境等作用下发生断裂的全过程，最大化定量提取和解析断口所包含的断裂过程信息一直是断裂失效研究领域的重要课题。本课题将紧密结合断口学与断裂力学，以钛合金材料断裂机理为基础，建立一套基于断口三维重建、宏微观形貌特征分析、成对断口相互匹配、断裂过程模拟和裂纹尖端应力应变场解析的断裂力学参量定量反推方法，以实现仅通过断口解析而无需进行模拟实验就能够准确探明钛合金构件断裂失效的真正原因为目标，从而为钛合金材料的研究应用、断裂失效评价与预防提供理论依据。

钛合金是一种国家战略性材料，广泛应用于航天、航空、航海、石油、化工等领域，随着钛合金应用领域的不断扩大和使用条件的日益苛刻，其构件的断裂失效在所难免，所造成的后果往往是灾难性的，因此明确失效的原因、采取措施防止事故的重演就显得尤为重要。断口记录了材料在载荷、环境等作用下发生断裂的全过程，最大化定量提取和解析断口所包含的断裂过程信息一直是断裂失效研究领域的重要课题。本课题紧密结合断口学与断裂力学，首先对材料进行断裂力学实验，实验充分考虑了后续与理论研究结果对比分析的需要，采用双位移计方法；随后借助SEM、光学显微镜、金相显微镜等手段分析材料断裂机理，借助激光共聚焦三维显微镜记录断口表面高度数据；利用断口表面高度数据，构建断口截面轮廓并依据断口形貌分析原理与实验过程中位移数据模拟断裂过程；模拟过程中推导计算各断裂力学参量（CTOA/COA、J积分、承受载荷等），从而建立了一套基于断口三维重建、宏微观形貌特征分析、成对断口相互匹配、断裂过程模拟和裂纹尖端应力应变场解析的断裂力学参量定量反推方法，实现了仅通过断口解析而无需进行模拟实验就能够准确探明钛合金构件断裂失效的原因这一目标，为钛合金材料的研究应用、断裂失效评价与预防提供了一定的理论依据。在此基础上，开发了具有数据录入、三维建模、断裂过程模拟、断裂参数计算与结果分析等功能的专用软件，可以为科学研究、工程应用提供帮助。本课题研究成果局限性主要体现在研究对象仅针对Ⅰ型裂纹，对Ⅱ、Ⅲ型及复合型裂纹未有涉及；另外，工程断裂失效问题中的试件非规则、载荷形式多样、环境因素影响大等问题将极大地限制本研究成果的应用，上述问题需要在后续的研究中得到逐步解决。