高强钛合金超高周疲劳的微结构尺度效应实验研究与理论分析

This project investigates the following scientific problems of high-strength titanium alloy in very-high-cycle fatigue regime by experimental method.(1) The mechanism of fatigue crack initiation and the characteristic of S-N curve for high-strength titanium alloy in very-high-cycle fatigue regime. (2) The characteristic of formation and damage in the fatigue crack initiation region for high-strength titanium alloy in very-high-cycle fatigue regime. (3) The influence of microstructural morphology and size effect on the fatigue crack initiation and initial crack growth. (4) The evolution process of fatigue and damage in the crack initiation region, and the model for fatigue life prediction in very-high-cycle fatigue regime. The aim of this project is to explore the essence of fatigue and fracture for high-strength titanium alloy in very-high-cycle fatigue regime, clarify the influence of microstructural morphology and size effect on the very-high-cycle fatigue behavior, and construct a model involving the effect of microstructure for fatigue life prediction in very-high-cycle fatigue regime in order to give a reference for fatigue life prediction and reliability evaluation of titanium alloy.

本申请项目围绕高强钛合金的超高周疲劳行为，以实验研究为手段，研究以下关键科学问题：（1）高强钛合金超高周疲劳裂纹萌生机制和S-N曲线特征；（2）高强钛合金超高周疲劳裂纹萌生区域的变形和损伤特征；（3）材料微结构形态和尺度效应对超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展的影响规律；（4）裂纹萌生区域的疲劳损伤和演化微观过程，超高周疲劳寿命预测模型。预期目标：（1）揭示高强钛合金超高周疲劳破坏的基本特征和主要影响因素；（2）阐明材料微结构形态和尺度效应对超高周疲劳行为的影响规律；（3）建立反映材料微结构参量的高强钛合金超高周疲劳寿命预测模型，为钛合金材料的寿命预测和可靠性评估提供参考。

钛合金的高强度、低密度、耐蚀性好、耐热性高等特点使其在航空、航天、生物工程等众多领域有非常重要的应用价值和广阔的应用前景。现代科技的高速发展，通常要求其某些结构和零部件的疲劳寿命达到1亿次以上。因此，研究钛合金超高周疲劳行为具有十分重要的科学意义。本申请项目主要研究了Ti-6Al-4V合金超高周疲劳裂纹萌生机制，材料的微结构形态和尺度对其超高周疲劳行为的影响。研究结果表明，Ti-6Al-4V合金的高周、超高周疲劳疲劳断口呈现三种典型类型：（i）表面裂纹萌生，萌生位置无解理面；（ii）表面裂纹萌生，萌生位置有解理面；（iii）内部裂纹萌生，萌生位置有解理面。提出了基于泊松缺陷分布模型描述三种破坏形式的竞争关系和发生概率，模型结果与实验结果符合。初生α相晶粒尺度和初生α相比例对S-N曲线均几乎没有影响，但由于晶粒尺度的变化，其对疲劳破坏的起源位置会产生影响。应力比对疲劳强度（最大应力表示）具有重要影响，随着疲劳寿命增加，应力比对疲劳寿命的影响显著下降。结合疲劳断口微观观测结果，提出了钛合金（Ti-6Al-4V）解理诱导疲劳破坏机理模型。研究结果对于揭示钛合金的超高周疲劳行为特征和超高周疲劳机制具有重要的价值。