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材料因素对增材制造钛合金疲劳裂纹扩展的影响规律及模拟方法

疲劳裂纹扩展，增材制造钛合金，试验研究，数值模拟方法

      增材制造（AM）在飞机主承力结构上广泛应用的前提是建立有效的疲劳和损伤容限评定方法。现行的金属构件疲劳和损伤容限分析评价体系是针对均匀各向同性金属材料而建立的，无论是以S-N曲线为基础的疲劳唯象理论、还是以da/dN-DK曲线为基础的裂纹扩展寿命分析的断裂力学方法，建立寿命分析模型时均是以力学参量为主控参量、以拟合参数反映材料性能、以分散系数考虑材料和加工缺陷的影响；现有的商用疲劳和裂纹扩展分析软件，也大多是将静力分析结果带入上述唯象理论和断裂力学模型中。然而，金属增材制造工艺使得材料组织在细观上存在气孔、未熔合、微裂纹等缺陷，在宏观上则呈现显著的不均匀性和各向异性。这些材料因素对疲劳性能和疲劳裂纹扩展性能均具有十分显著的影响，且还与载荷水平等力学因素之间存在交互作用。

      针对上述AM金属构件疲劳与损伤容限评价方法中的问题，本课题组在研究宏观思路上着重于发展兼顾力学参量和材料特征的寿命分析模型，在具体方法上着重于采用兼顾物理试验和模拟仿真的疲劳研究手段。本文首先介绍了课题组在增材制造钛合金的材料组织特征对疲劳裂纹扩展路径、速率、开裂机理等方面的试验研究成果，揭示了a片层对疲劳裂纹路径的偏折作用以及三种裂纹偏折模式，发现疲劳裂纹扩展速率在不同材料组织中存在差异，研究了超载对不同材料组织中疲劳裂纹速率的影响，并提出了可将疲劳裂纹扩展过程中力学因素和材料因素之间的交互作用看作是动力和阻力的关系；在试验研究的基础上，提出在近场动力学体系框架下对这些现象和规律开展数值模拟研究的基本思路，给出相应数值模拟研究的结果，为建立能够考虑细观组织和缺陷等材料特征对疲劳影响规律的疲劳性能分析模型提供依据。