TA31钛合金微结构对微动疲劳短裂纹扩展行为的调控机制及能量耗散分析

本研究通过热处理制备了等轴晶（EM）、层状（LM）和双态（BM）三种微观结构的TA31钛合金，揭示了双态结构因αp/βtrans相协同作用具有最高的单位裂纹扩展能耗（达LM的8.32倍），提出基于位错滑移迹线的路径选择因子，为航空发动机叶片-榫槽连接件等微动疲劳寿命预测模型开发提供理论支撑。

　　

Highlight

双态组织（BM）试样展现出最强的微动短裂纹扩展抗力，其单位长度裂纹扩展所需能量高达层状组织（LM）的8.32倍。裂纹主要沿穿晶和沿晶两种模式扩展，其中穿晶路径与位错滑移迹线高度相关。

Microstructural feature of specimens

如图2所示，双态组织（BM）由初生α相（α_p）和β转变结构（β_trans）组成，后者包含平行排列的次生α片层（α_s）与亮衬度的β相薄层；层状组织（LM）则呈现典型的片层状α/β交替结构；等轴组织（EM）为等轴α晶粒与晶间β相构成的三维网状结构。

Relationship between short crack propagation rate and microstructure

基于微裂纹扩展能量理论（公式1），能量消耗W包含表面能U_s和塑性功U_p。BM组织中α_p相的高晶界密度和β_trans结构的曲折裂纹路径共同导致更高的能量壁垒。

Conclusions

(1) 混合微动条件下，短裂纹优先在加载端接触区萌生，随后以30°-60°夹角向试样内部倾斜扩展；

(2) BM组织通过α_p相晶界钉扎和β_trans结构多重偏转实现最优裂纹扩展抗力；

(3) 提出的路径选择因子成功解释了裂纹沿{111}滑移面择优扩展的现象。