针对锻造Ti-6Al-4V合金的晶粒尺度局部损伤及疲劳预测，结合原位实验与晶体塑性有限元方法进行了综合研究

《Materials Science and Engineering: A》：Integrated in-situ experimental and crystal plasticity finite element investigation on grain-scale localized damage and fatigue prediction of forged Ti-6Al-4V alloy

　　张西元|魏大胜|马松云|张涛|孙静宇|李坤|刘翔|于甘丽|杨顺
北京航空航天大学能源与动力工程学院，中国北京100191

摘要
理解钛合金在微观尺度上的材料特性和疲劳行为对于提高航空航天和机械部件的可靠性至关重要。本研究对Ti-6Al-4V合金进行了原位拉伸实验，并结合扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）表征，揭示了拉伸过程中的晶粒变形、晶粒取向演变以及位错密度的积累情况。Ti-6Al-4V的材料本构参数被校准用于晶体塑性有限元方法（CPFEM）框架。然后基于实验获得的微观结构建立了一个真实的晶粒尺度模型，并进行了循环载荷模拟以评估局部变形和应力演变。利用基于损伤的准则，量化并通过损伤等高线图可视化了晶粒内的损伤起始和进展。结果表明，损伤局部化可以分为两种主要类型：一种是在基面大致垂直于拉伸方向的小晶粒内；另一种是在基面大致平行于拉伸方向的较大晶粒的三晶粒交界处。基于这些局部化特征，提出了一种基于梯度的校正方法，该方法通过对临界半径内的最大损伤值进行平均来考虑局部梯度。该方法通过低周疲劳试验进行了验证，显示出在疲劳寿命预测方面的高准确性。本研究的结果为钛合金微观尺度上的疲劳损伤机制提供了宝贵的见解。

引言
钛合金，特别是Ti-6Al-4V，由于其高比强度、优异的耐腐蚀性和良好的疲劳性能，在航空航天、生物医学和机械部件中得到广泛应用[1]、[2]、[3]。然而，这些部件在服役过程中经常受到复杂的循环载荷作用，导致疲劳损伤累积并最终失效。因此，理解Ti-6Al-4V在微观尺度上的变形行为和疲劳机制对于提高结构可靠性和延长关键部件的使用寿命至关重要[3]、[4]。
钛合金的疲劳性能受其微观结构特性强烈影响，如晶粒形态、晶体取向、孪晶结构[5]以及相邻晶粒之间的局部应变不匹配[6]、[7]、[8]、[9]。在现有的疲劳寿命预测研究中，大多数模型都是基于宏观力学参数开发的，例如改进的经验公式[10]、基于断裂力学的模型[11]和基于连续介质损伤力学的方法[12]。这些宏观模型通常在材料各向同性假设下建立，能够有效评估整体疲劳行为。然而，它们在准确捕捉晶粒尺度上的局部异质性引起的变形和损伤演变方面能力有限。
原位拉伸测试[13]、[14]、[15]通过将微型拉伸测试装置放置在扫描电子显微镜的腔室内，能够观察金属在变形过程中的微观特征。这种技术不仅能够更准确地表征塑性变形行为[16]、[17]，还能提供可用于开发微观尺度疲劳寿命预测模型的关键参数。吴恩施[18]对Ti-6Al-4V进行了原位低周疲劳实验，发现与滑移带形成和传播相关的有利裂纹起始主要发生在单个相内和沿晶界处。孟等人[19]将原位拉伸测试与微观结构分析相结合，研究了Ti-6Al-4V α 宏区的织构演变和滑移激活。在拉伸变形过程中，α 宏区发生晶体学旋转，当其c轴几乎平行于加载方向时发生失效。王等人[20]、[21]提出了一个适用于六方密排（HCP）结构的介观损伤模型，考虑了滑移带与晶界之间的相互作用，并通过引入棘轮效应扩展了模型，以模拟高温和大变形条件下的棘轮损伤。这些研究从实验和晶体学角度提供了关于晶粒尺度损伤的重要而全面的见解，但尚未通过数值模拟进一步提取相关的力学特性。
通过采用CPFEM[22]、[23]、[24]，可以在数值层面考虑晶体取向和滑移机制，从而定量表征晶粒尺度的局部力学响应和损伤演变[25]、[26]、[27]、[28]，弥补了纯实验研究在提取力学特性方面的局限性。麦克道尔[29]引入了晶界撞击疲劳指标参数（FIPs）的概念，该参数考虑了促进疲劳裂纹起始的位错堆积，尤其是在被累积位错破坏的晶粒或相界处。近年来，许多研究采用CPFEM模拟了Ti-6Al-4V合金的循环塑性和疲劳行为[30]。S. Krishnamoorthi等人[31]创建了包含先前β晶界和α晶带的Ti-6Al-4V合成微观结构，进行了CPFEM模拟，并预测了疲劳裂纹的起始。S. Stopka等人[32]、[33]采用基于CPFEM的统计方法评估了微观结构采样、亚晶粒平均和模型参数对双相Ti-6Al-4V中FIPs极值分布（EVD）估计的影响，强调可靠的EVD预测需要足够的晶粒采样。K. Tiwari等人[34]通过结合低周疲劳实验、CPFEM和FIPs的极值分析，为增材制造的Ti-6Al-4V的疲劳寿命建立了微观结构敏感的预测框架，实现了模拟FIPs与实验测量的疲劳寿命之间的强相关性。李等人[35]结合多尺度CPFEM和拉伸实验，研究了异质钛合金界面处的异质变形、晶界变形（GND）演变和滑移系统激活，揭示了界面在疲劳裂纹起始和早期传播中的控制机制。周等人[36]将基于位错运动的FIPs纳入CPFEM中，以表征循环载荷引起的损伤并预测测试样品的耐久性。然而，现有研究大多依赖于生成的合成微观结构模型，其有效性通常通过比较晶粒尺寸分布和取向不匹配等参数与实验测量结果来评估[37]。这种方法在一定程度上限制了模拟结果与实际材料行为之间的一致性。因此，基于实验测量的晶粒结构和取向构建模型对于提高CPFEM模拟的可靠性至关重要。同时，基于原位实验的参数校准也是必不可少的[38]、[39]。此外，在CPFEM结果中可视化FIP参数将提供关于材料疲劳失效行为的额外见解[40]。
为了解决这些局限性，本研究整合了原位拉伸实验、SEM/EBSD表征[41]、[42]和晶体塑性有限元建模，以研究Ti-6Al-4V合金的微观尺度变形和疲劳行为。首先进行了原位拉伸测试，并表征了材料在变形过程中的微观结构演变。然后从实验数据中校准了材料本构参数，并基于EBSD获得的微观结构信息构建了一个真实的晶粒尺度有限元模型。随后进行了循环载荷模拟，分析了不同拉伸载荷下的应力-应变演变，并根据损伤等高线图确定了相应的损伤集中区域。最后，基于损伤类型和梯度校正方法开发了一个晶粒尺度疲劳寿命预测模型，并通过疲劳实验结果验证了其准确性。这种综合的实验-计算研究框架不仅为微观尺度疲劳损伤机制提供了新的见解，还引入了计算方法和寿命预测建模的新方法。

材料
本实验使用了未经处理的Ti-6Al-4V合金。该材料在730°C下热处理1.5小时，然后空气冷却[10]。这是一种未经任何额外后处理或二次锻造的锻造Ti-6Al-4V合金，代表了该合金在工程应用中最广泛使用的形式。Ti-6Al-4V的弹性模量为120 GPa，泊松比为0.34，密度为4440 kg/m3，面积缩减率为0.43。

晶体塑性建模
原位拉伸SEM/EBSD测试提供了全面的微观结构表征。为了进一步研究Ti-6Al-4V合金在拉伸下的变形机制，分析变形过程中与析出相相关的应力/应变演变和位错积累至关重要。裂纹起始和早期传播受到局部微观结构的强烈影响。因此，研究晶粒尺度上的变形行为对于...

机械性能
为了准确确定弹性模量，使用G200纳米压头进行了纳米压痕测试，如图7所示。该设备配备了一个三面金字塔形金刚石压头，最大载荷能力为50 mN，可以获取多个微观力学参数，如载荷-深度曲线、硬度和弹性模量。压头以准静态方式压入试样表面，最大深度为2 μm，同时记录施加的载荷。

FIPs计算和寿命预测
在现有的晶粒尺度损伤分析研究中，一些研究人员[34]使用滑移系统上的解析剪切应力和应变来计算疲劳指标参数FIPFS，然后基于该参数在不同晶粒内的统计分布进行疲劳寿命预测。相比之下，其他研究[72]主要关注沿加载方向的应力和应变响应，并分析晶粒尺度上的局部应力集中行为。

结论
通过结合原位实验和晶体塑性有限元建模，系统研究了Ti-6Al-4V合金在晶粒尺度上的机械行为和疲劳特性。主要发现总结如下：
1) 原位拉伸测试结合SEM/EBSD表征定量显示，随着应变的增加，平均KAM值从0.710增加到1.030，表明小晶粒内的局部应变局部化增强。

作者贡献声明
张西元：撰写——原始草稿、软件、方法论、数据分析、概念化。
魏大胜：监督、资金获取。
马松云：研究。
张涛：资源提供。
于甘丽：可视化。
杨顺：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理。
孙静宇：方法论。
李坤：资源提供。
刘翔：方法论。

利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本工作得到了国家科技重大项目（编号J2019-IV-0012-0080）、国家自然科学基金（编号12472208、12202030）、工业设备结构分析、优化与CAE软件国家重点实验室基金（编号GZ24122）、先进陶瓷国家重点实验室开放项目基金（编号SKL202408SIC）以及机械强度与振动国家重点实验室基金的支持。