受应力状态和微观组织控制的 TC4 ELI T 型接头裂纹演化：基于晶体塑性建模的实验研究

《Materials Science and Engineering: A》：Crack Evolution in TC4 ELI T-joints Governed by Stress State and Microstructure: Experimental Study with Crystal Plasticity Modeling

　　

摘要

超低碳氧Ti-6Al-4V（TC4 ELI）钛合金T型接头的断裂行为对深海耐压壳的结构完整性至关重要。然而，目前对T型接头损伤演化机理的理解仍十分有限。本研究结合原位实验表征与数值模拟，系统研究了TC4 ELI T型接头的力学响应和断裂行为。结果表明，随着行进速度从12 cm/min降低至8 cm/min，最大工程应力显著提高至689.6±15.1 MPa。在拔出载荷作用下，裂纹优先萌生于焊趾处，这源于拉-剪应力集中耦合效应，随后裂纹贯穿法兰板扩展。研究发现，T型接头的力学性能受应力-显微组织耦合机制支配，即局部应力场决定裂纹扩展路径的选择，而裂纹路径上遇到的微观组织则调控后续的力学性能。较高的热输入使熔合区（FZ）范围扩大，裂纹扩展路径由FZ→HAZ转变为FZ→HAZ→母材（BM），其中母材较高的抗裂纹扩展能力有助于增强T型接头的承载能力。断裂过程在正应力σ₂₂与剪应力σ₁₂的联合作用下，主要受微孔形核、长大和聚合机制支配。此外，棱柱面滑移促进沿滑移迹线的穿晶裂纹扩展，而基面滑移则有利于沿晶断裂。裂纹偏转主要源于多滑移系的协同激活。这些发现为TC4 ELI钛合金耐压壳结构的焊接工艺优化和损伤容限设计提供了重要的理论基础。

引言

深海载人潜水器对关键部件的结构完整性提出了严格要求，从而推动了海洋材料损伤容限设计策略的发展[1]、[2]。超低碳氧Ti-6Al-4V（TC4 ELI）钛合金是深潜器耐压壳最优选的损伤容限合金之一，这得益于其在断裂韧性、强度和加工性能方面的优异综合表现[3]、[4]。TC4 ELI的平面应变断裂韧性（K_IC）可达约110 MPa·m¹/²，显著高于传统TC4合金（约90 MPa·m¹/²）[5]、[6]、[7]。这一提升主要归因于间隙元素含量的降低，尤其是氧（O ≤ 0.13%）和铁（Fe ≤ 0.25%）[8]、[9]、[10]。α-Ti晶格中的间隙氧原子与螺型位错核心产生强烈的短程相互作用，导致位错钉扎或位错跨滑移至其他滑移面[8]。Song等人[11]的原子探针断层扫描（APT）结果表明，α相中几乎不含铁，而铁分布不均匀并优先偏聚至β相中。这种微观尺度上的元素偏聚，连同约0.2% Fe产生的固溶强化效应，在调控力学响应同时保持延性方面发挥着重要作用[12]。上述现象表明，间隙元素显著影响位错运动和滑移活性，从而改变TC4基合金中的主导变形机制。因此，与传统Ti-6Al-4V相比，TC4 ELI由于位错钉扎效应的减弱，预计将表现出更均匀的塑性变形行为。

值得注意的是，深海载人潜水器的结构完整性最终取决于焊接接头，尤其是连接耐压壳与内部隔板的T型接头[13]。已有大量研究工作致力于探究T型接头的性能，T型接头本质上具有由熔合区（FZ）、热影响区（HAZ）和母材组成的显著异质结构特征。Kashaev等人[14]对TC4 T型接头进行了拔出试验，发现所有试样均在熔合区内断裂，断裂应力范围为440至540 MPa。熔合区通常由超细层片状（α+β）组织构成[15]，而相邻的热影响区则含有原始α相、原始β相和少量α′马氏体的复杂混合组织[16]、[17]。从更广泛的视角来看，Zhang等人[18]研究了Q345钢T型接头，基于拔出试验获得的位移-载荷响应，证明了裂纹萌生和扩展受微观组织异质性和几何应力集中耦合效应的共同控制。这些发现突出了微观组织在控制T型接头裂纹演化行为中的关键作用。然而，TC4 ELI T型接头中是否存在类似机制尚不明确，相关系统的研究仍然缺乏。

因此，从机理层面理解裂纹演化过程对于优化焊接策略和实现损伤容限设计至关重要。在钛合金中，可通过调控微观组织形貌对裂纹偏转行为产生显著影响。Wang等人[19]报道，在层片状组织中，裂纹沿取向有利于棱柱面滑移系$$的晶团扩展，而切穿取向对应柱面滑移系$$的晶团。Hall等人[20]观察到，裂纹优先穿晶扩展过转变β区域，并在原始α晶粒周围发生偏转。在力学性能方面，抗拉强度主要受次生α片层的控制，而延性则取决于原始α的形态和原始β晶粒尺寸[21]。较高的断裂韧性通常与穿层断裂相关，而韧性降低则与层间断裂有关[22]。此外，Leyens等人[23]发现，粗层片状组织通常表现出比等轴组织更高的断裂韧性，这得益于其更强的裂纹偏转能力。从能量角度来看，Shi等人[24]进一步证明，增厚的α片层增加了裂纹尖端的能量耗散，从而阻碍裂纹扩展并提高断裂韧性。

T型接头的力学性能受裂纹扩展路径的强烈影响，而裂纹扩展路径本质上与由晶体滑移系激活控制的局部塑性变形密切相关。在钛合金中，基面?a?、棱柱面?a?以及柱面?a?或?c+a?滑移系在适应变形中起关键作用。Hama等人[25]采用晶体塑性模型研究了纯钛的变形行为，发现随着加载条件从单轴向双轴转变，棱柱面滑移的贡献显著降低。另一项最新研究进一步表明，应变水平、加载方向和应力双轴性均会影响塑性滑移系的激活[26]。这些发现揭示了应力分布、滑移活性和裂纹演化之间存在强耦合关系。然而，在异质T型接头中，这种相互作用尚未得到充分认识。因此，阐明微观组织组成与裂纹演化之间的相互作用关系，对于深化对T型接头性能的理解至关重要。

本研究通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了TC4 ELI中厚T型接头的断裂机制。利用详细的微观组织表征和借助数字图像相关（DIC）技术的原位观测，捕捉了裂纹萌生和扩展的过程。此外，研究进一步探讨了滑移系的时间依赖性激活及其对控制接头断裂的贡献。

章节摘要

材料

深海耐压壳通常由厚壁焊接结构制造而成，这使得全尺寸部件的破坏性试验成本极高且实验实施极为困难。因此，实验室研究中通常采用代表性缩比试样。在本研究中，选取6 mm厚的T型接头作为代表性试样，以系统研究裂纹萌生、裂纹扩展及其微观组织机理。

TC4 ELI T型接头的宏观组织与微观组织

图2a)-2c)展示了不同行进速度下T型接头的截面形貌。可以看出，随着行进速度的降低，熔合区（FZ)范围逐渐扩大，这归因于热输入的增大。在行进速度为10 cm/min焊接的接头中可以观察到小气孔，如图2b)中箭头所示。此类气孔是熔合区中一种难以完全消除的典型缺陷[34]。值得注意的是，在所检验的所有接头中均未检测到裂纹。微观组织方面：

T型接头的裂纹萌生与扩展行为

为了深入理解T型接头的断裂行为，本研究通过有限元分析阐明了拔出试验过程中应力场的演化规律，如图8所示。当腹板向上位移时，焊趾处产生显著的拉应力集中，同时在接头下部区域形成相应的压应力集中（图8a和8b）。图8c)和8e)中所示的代表性单元进一步揭示了局部区域

结论

本研究通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了6 mm厚TC4 ELI T型接头的力学响应。基于详细的微观组织表征和应变演化的原位观测，阐明了控制裂纹萌生和扩展的潜在断裂机制。主要结论总结如下。

• (1)
  较高的热输入有利于提高T型接头的力学性能。降低行进速度

作者贡献声明

张德洋：资源提供、研究方法。唐俊翔：验证、调查研究。胡燕英：论文撰写（初稿）、验证、指导、研究方法、概念设计。王军：资源提供、资金支持。陈星豪：调查研究、形式分析。龚豪威：调查研究、形式分析。

利益冲突声明

? 作者声明，不存在可能对本研究结果产生影响的已知经济利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到船舶结构强度国家重点实验室（项目编号：Naklas2024KF018-S）、国家自然科学基金（项目编号：52475420）、国家磁约束聚变能研发计划（项目编号：2024YFE03260400）以及广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2024A1515240058）的资助。

胡燕英|唐俊翔|张德洋|龚豪威|陈星豪|王军