Ti/Al复合带的层厚比对界面应力状态及拉伸失效机制的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Influence of the layer thickness ratio of Ti/Al cladding strips on the interfacial stress state and tensile failure mechanism

　　

由于具有轻质、高强和耐腐蚀的特性，Ti/Al复合带在许多领域得到了广泛应用。阐明变形过程中各组分金属与结合界面之间的相互作用机制是评估层状复合材料综合性能的关键。研究人员使用ABAQUS软件和Johnson-Cook本构模型模拟了不同层厚比下TA2/AA6061的单轴拉伸。研究人员分析了应力、应变、位移、Lode参数和应力三轴性的分布，以揭示拉伸过程中的应力演化。使用X射线微观计算机断层扫描技术表征了界面损伤演化。通过模拟和实验推导出了近似失稳点公式，用于预测最大伸长率和抗拉强度。结果表明，Ti/Al复合带的变形行为随层厚比而变化。通常，与Al层相比，Ti层具有更高的强度和更好的塑性。然而，受结合界面的约束，复合带表现出三向应力状态。为了实现协调变形，金属组分承受额外的水平应力约束，导致Ti层在拉伸过程中比Al层更早发生断裂。基于拉伸损伤机制，建立了塑性失稳预测模型，为预测不同层厚比复合带的力学性能提供了理论基础。该研究可为工业界设计高质量的Ti/Al复合带提供参考。

【研究背景与意义】
Ti合金比强度高、耐腐蚀、耐磨，广泛应用于航空航天、医疗等领域，但成本较高限制了其广泛应用。Al合金密度低、导电/导热性优异、耐腐蚀且成本低。Ti/Al复合带结合了两者的优点，包括高比强度、良好的耐磨耐腐蚀性、优异的导热性及低比重，且生产成本远低于Ti合金，在航空航天、冶金机械、石油化工等领域具有广阔应用前景。然而，Ti和Al合金组元之间的力学性能差异显著，限制了复合带在制备和深加工过程中的变形协调性，导致制造工艺复杂。现有研究多集中于离散层厚比下的宏观力学性能比较，尚未定量揭示层厚比连续变化过程中界面剪切应力集中与基体塑性失稳的竞争演化规律。因此，研究不同层厚比对Ti/Al复合带力学性能的影响规律具有重要的理论价值和工程实用意义。研究人员针对具有高强度冶金结合的Ti/Al复合带开展了研究，使用ABAQUS建立不同层厚比的有限元模型，分析应力、位移和应力三轴性特征以探索拉伸损伤机制，并制定了拉伸失稳准则。该研究为层状金属复合材料的变形行为提供了关键见解，并为优化其工业应用性能提供了指导。该论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

【关键技术方法】
研究人员采用ABAQUS建立Ti/Al复合带单轴拉伸的三维实体弹塑性有限元模型，Ti层采用TA2，Al层采用AA6061，采用Johnson-Cook本构模型描述材料损伤与失效行为。根据单变量原理建立不同层厚比(α)模型，使用C3D8六面体实体单元并采用绑定约束以模拟良好结合状态。通过提取真实应力-应变数据进行插值拟合确定模型塑性参数，并在应变率为10^-3 s^-1下进行室温单轴拉伸测试。随后，利用X射线微观计算机断层扫描技术对拉伸过程进行原位扫描，以验证界面损伤演化模拟结果。此外，使用扫描电子显微镜(SEM)观察不同层厚比试样的断口形貌，分析界面拉伸断裂微观结构。

【研究结果】
2.1. Stress contour maps
通过ABAQUS模拟分析不同拉伸位移下的应力分布得出结论：Ti层比Al层更早断裂；随着层厚比α从33.33%增加至84.85%，复合带的极限抗拉强度分别为324.31 MPa、263.45 MPa、214.91 MPa和191.47 MPa，均低于α=33.33%时的371.29 MPa，说明尽管复合带厚度增加，极限抗拉强度并未相应增加。

2.2. Displacement contour maps
通过分析不同α下Ti/Al复合带在拉伸各阶段的位移分布得出结论：当α从33.33%增至84.85%时，复合带发生损伤时的位移分别为1.92 mm、1.84 mm、1.63 mm和1.51 mm，均低于α=33.33%时的2.15 mm，表明复合带的塑性降低。由于Ti与Al力学性能差异，当Al层较薄时Ti层施加强烈变形协调约束，界面易发生剪切应力集中；随Al层增厚，Al层通过塑性流动实现内应力重分布，有效缓解界面区域应力积累。

2.3. Displacement distribution maps
通过分析各参考线上节点垂直位移随拉伸总位移L的变化得出结论：Ti层中心区域变形大于两端，导致其在拉伸中过早断裂；Ti层整体发生垂直位移，而Al层由于物理特性和界面约束，先在界面处产生位移随后驱动端节点位移。随着层厚比增加，节点绝对位移增加归因于总厚度增加，而复合带的失稳应变随α增大而减小。

2.4. Stress triaxiality – Lode parameter distribution map
通过处理模拟模型获得相同节点在不同参考线上的应力状态分布图得出结论：拉伸过程中Ti和Al层主要受两拉一压应力状态，随着L增加应力状态更趋多样。Ti层较早断裂伴随从两拉一压向两压一拉状态的转变，而Al层延迟的延性失效则与其后期向三向拉伸状态的演化相关。随着层厚比增加，两层表面中心的应力变化更显著。

2.5. Interface fracture evolution process
通过X射线微观计算机断层扫描技术对拉伸过程进行无损观察及三维可视化得出结论：在拉伸状态下，微孔在Ti层形核并聚结，随后孔洞在Ti层和界面萌生并向Al层扩散，截面呈梯形。进一步拉伸导致孔洞聚结和裂纹萌生，Ti和Al层出现不同程度的颈缩，裂纹迅速向Al层扩展。模拟模型的演化规律和失效模式与micro-CT扫描结果具有良好一致性。

2.6. Interfacial tensile fracture microstructures
通过扫描电子显微镜(SEM)观察TA2/1060和TA2/AA6061不同层厚比试样的断口形貌得出结论：试样正面结合界面附近无明显裂纹，Al层近界面区域的断裂深度显著低于远界面区域；侧面未见界面裂纹，断裂失效源于界面区域。梯度高强度冶金结合界面有效抑制了裂纹扩展，增强了复合带的协调变形能力。

3.1. Plastic instability point
通过假设材料连续且体积不可压缩、界面结合强度足够且忽略界面微观结构变化，推导单轴拉伸下复合带的平均流动应力混合法则及塑性失稳条件得出结论：复合带塑性失稳准则的数学表达式与单材料相同，失稳点应变ε_pi随层厚比α在Ti和Al组元的失稳应变之间单调变化，均匀伸长率δ_n也随之单调变化。

3.2. Plastic instability prediction model
通过假设两组元金属应力-应变曲线遵循Hollomon公式，并采用各自失稳点处的切线方程近似计算得出结论：该模型明确建立了复合带失稳特征参数、层厚比及两层金属力学特征参数之间的定量关系，且不依赖组元材料的本构表达式，具备通过不同层厚比复合带的失稳特征值反向预测各组元均匀伸长率和抗拉强度的能力。

3.3. Model verification
通过将不同材料和层厚比的九个复合带试样作为验证对象，对比模型计算、模拟与实验结果得出结论：计算的失稳点特征值与模拟和实验结果吻合良好。利用模型反向计算得到的Ti层和Al层均匀伸长率与抗拉强度，以及不同复合带的层厚比，均与实际模拟结果几乎一致。

【总结讨论与结论】
(1) 通过ABAQUS建立不同层厚比下Ti/Al复合带单轴拉伸的弹塑性模型，分析不同时刻的应力云图发现，Ti层比Al层更早断裂；受复合带结合界面约束，极限抗拉强度随着Ti/Al层厚比的增加（Al层相对增厚）而降低。
(2) 通过分析不同时刻各参考线的Lode参数-应力三轴性分布图发现，复合带Ti层的应力状态由“两拉一压”转变为“两压一拉”，而Al层由“两拉一压”转变为“三向拉伸”；且随着Ti/Al层厚比的增加，转变趋势更加显著。
(3) 通过分析不同时刻各参考线的垂直位移发现，局部损伤在Ti层萌生，随后裂纹从Ti层中心向Ti层两端及Al层扩展，直至Al层断裂。Ti层表现出整体垂直位移，而Al层由于较低的延展性和界面约束，先在与Ti层的交界处产生位移，再驱动端节点位移。
(4) 基于损伤机制推导了塑性失稳预测模型，可用于预测复合带的均匀伸长率和抗拉强度。若已知两种或多种层厚比下复合带的均匀伸长率和抗拉强度，则可反向预测两种金属组分的均匀伸长率和抗拉强度。