基于应力诱发马氏体相变的钛合金疲劳行为及机理研究

Due to excellent properties, titanium alloy has been selected as a critical material in various important projects and high technical fields. The fatigue stability of titanium alloy served in the process is also one of the hot points. The stress induced martensitic transformation in titanium alloy should have great potential in strengthening regulation. But in current, research on fatigue properties based on stress induced martensitic transformation in titanium alloys is rarely reported. In this regard, aimed at shortcomings of previous studies, the present project intends to prepare a series of metastable beta titanium alloys, investigate the stress induced martensitic transformation under alternating load. In different conditions, fatigue tests will be performed on titanium alloy, to study the influence of microstructure, loading temperature on the fatigue properties based on stress induced martensitic transformation. Combined with microstructure characterization and stress analysis of internal materials, the mechanism of fatigue crack based on stress induced martensitic transformation will be discovered. The response relations between phase transformation and fatigue performance will be analyzed and cleared. Then, the model of fatigue life will be estimated. This project tries to explore the possibility of using phase transformation to improve the fatigue property of metallic materials, and will provide a theoretical basis and an experimental support for the application of titanium alloys, it also has important meaning to rich the fatigue theory of titanium alloys.

钛合金以其优异的性能迅速发展成为重大工程领域、高技术领域不可或缺的关键材料，其服役过程中的疲劳稳定性是研究热点之一。应力诱发马氏体相变在钛合金强韧化调控方面拥有巨大应用潜力。但是目前缺乏基于应力诱发马氏体相变的钛合金疲劳行为及机理的研究。本项目拟以亚稳β钛合金为研究对象，研究钛合金在交变载荷作用下的应力诱发马氏体相变行为；对钛合金进行疲劳试验，研究微观组织、加载温度对应力诱发马氏体相变和疲劳行为的影响规律；结合疲劳变形过程中的结构观察与应力分析，进一步明晰基于应力诱发马氏体相变的疲劳损伤微观机制，揭示相变-疲劳交互作用机理，建立基于微观相变的钛合金疲劳寿命预测模型。该项目探索利用微观相变提高金属材料疲劳性能的可能性，为钛合金的安全服役提供一定的指导，同时对丰富钛合金疲劳理论具有重要意义。

本项目制备了两种新型具有应力诱发马氏体相变的钛合金，较为系统地表征了多种热处理状态下合金的显微组织、准静态力学性能及断口特征，研究了钛合金在交变载荷作用下的应力诱发马氏体相变行为及应变-应变响应，区分了拉伸与压缩状态下合金不同的力学行为，发现了循环加载过程中前次相变对后次相变的阻碍作用，运用有限元方法对合金加载过程中的应力状态进行了较为系统的模拟分析，发现了变形与相变过程中应力分布不均的情况。对钛合金进行了疲劳试验，研究了微观组织、加载温度对应力诱发马氏体相变和疲劳行为的影响规律，研究发现随着加载的不断进行，试样内部引入大量位错与界面，这些位错与界面对马氏体的长大产生定扎作用，因此一定循环周次后，应力诱发马氏体相变的临界诱发应力接近合金的屈服强度，试样的力学行为趋于正常化。β相晶粒尺寸对合金的疲劳性能影响较为不明显，随着晶粒尺寸的增加，相变临界诱发应力值增加，但在一定周次后相变影响趋于消失。不同体积的α相微观组织成分含量对钛合金的力学性能表现出不同差异。在疲劳加载过程中，发现β相的Ms大小对合金疲劳裂纹扩展门槛值及Pairs区裂纹扩展行为影响不明显，但是对试样的疲劳寿命影响较大。在这些多相钛合金中，纵横交错的针状α相相比与近球状α相，更能阻碍疲劳裂纹的扩展，有着较低的疲劳裂纹扩展速率。通过EBSD研究了试样内部的应力状态，发现残余应力在不同晶粒之间大小不一。合金的全寿命曲线可以近似地用指数函数进行模拟，其形式与Basquin模型相似，公式中考虑了马氏体的影响。本项目挖掘应力诱发马氏体相变在钛合金应用领域的潜力，探索利用微观相变提高金属材料疲劳性能的可能性，是一种新的尝试，为钛合金的安全服役提供一定的指导，同时对丰富钛合金疲劳理论具有重要意义。