LPBF制备TiC/Ti-6Al-4V复合材料小裂纹扩展与塑性区尺寸的微观组织依赖性预测建模

《Engineering Fracture Mechanics》：Microstructure-dependent predictive modeling of small crack growth and plastic zone size of LPBF-fabricated TiC/Ti-6Al-4V composite

　　• 本文从理论和实验两方面探讨了激光粉末床熔融（LPBF）TiC/Ti-6Al-4V的小裂纹扩展行为。• 非棱柱状变形模式的激活降低了裂纹扩展速率。• 小裂纹尖端较低的裂纹闭合是由于较低的应力比导致尾部长度较短所致。• 该预测方法整合了微观组织特征和相关机理。## 引言钛合金在工程领域有着广泛的应用，特别是在航空航天和汽车行业，这得益于其卓越的强度、较高的热稳定性和出色的抗腐蚀性能 [1], [2]。然而，钛合金表现出某些机械性能方面的局限性，包括耐磨性不足和硬度较低。为解决这些缺陷，开发了钛基复合材料（TMCs），与传统钛合金相比，其屈服强度、显微硬度和抗拉强度得到了改善 [3], [4], [5]。此外，要增强TiC/Ti6Al4V复合材料的性能，开发有效的制备技术仍然是一个重大挑战。在此背景下，激光粉末床熔融（LPBF）作为增材制造领域的一种高度先进的方法应运而生 [6]。值得注意的是，增材制造具有卓越的优势，如促进复杂制造工艺、显著降低生产成本和减少材料浪费 [7], [8]。尽管其性能突出，LPBF制造的TiC/Ti6Al4V复合材料的疲劳失效和断裂特性在工程设计中仍构成重大挑战。值得注意的是，整个疲劳寿命的大部分消耗在微观结构小裂纹的扩展过程中，其长度范围约为10 μm至1 mm [9]。因此，该扩展阶段的动力学至关重要，因为它对工程材料的总疲劳寿命有直接且决定性的影响。然而，由于小裂纹扩展阶段对局部微观组织特征的高度敏感性，对其全面了解仍然具有挑战性。因此，需要一项综合多项影响因素的深入研究，重点关注微观组织特征、疲劳裂纹扩展特性和加载条件。此类研究对于减轻疲劳断裂评估中的意外差异和增强关键机械组件的可靠性至关重要。迄今为止，已有大量研究评估了疲劳条件下的小裂纹扩展特性 [10], [11], [12]。在此背景下，原位疲劳测试已被用于观察和分析小裂纹的进展行为。例如，有人将裂纹扩展的不规则性和间歇性归因于微观组织特征的影响 [13]。小疲劳裂纹的扩展受晶界等微观组织障碍物的强烈影响 [14]，这可以导致扩展速率的显著降低 [15]。此外，这些小裂纹主要通过穿晶模式在金属材料中扩展 [16]。具有较高位错的晶粒可以有效阻碍小裂纹扩展，诱导裂纹偏转、扩展速率降低和更曲折的裂纹路径 [17], [18]。此外，研究表明应力比的增大促进了更高的裂纹扩展速率 [19]。有人观察到，在相同的应力比和应力强度因子值条件下，小裂纹的扩展速率高于长裂纹扩展速率 [20]。相比之下，其他研究者得出结论认为微裂纹的扩展速率仅受应力强度因子的影响，应力比没有显著影响 [21]。尽管研究人员已广泛研究了小裂纹和长裂纹的扩展，但在专门研究应力比对小裂纹和长裂纹影响的方面仍存在研究矛盾。在过去几十年中，已建立了多种测量方法来确定断裂特性，特别是裂纹尖端处的局部机械响应，如应变分布和裂纹闭合效应。在20世纪90年代，提出了一种应变测量和分析方法，以获得对裂纹扩展机理的见解 [22]。在过去二十年中，随着数字图像相关（DIC）技术的发展，在研究疲劳裂纹扩展机理方面取得了重大进展，特别是对裂纹尖端周围应变场发展的分析。另一位学者 [23] 采用DIC技术研究了裂纹尖端的弹塑性变形，获得了详细的应变分布数据。此外，Zhang等人 [24] 将DIC与有限元分析相结合，评估了小裂纹扩展过程中裂纹尖端周围的应变场。少数研究关注于提供与裂纹闭合相关的直接观测数据和测量，特别是那些直观捕捉裂纹开启、闭合机制及其在加载条件下行为的方面。光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）是研究疲劳裂纹扩展机理的有效技术，因为它们能在纳米尺度监控裂纹尖端周围和断裂位置的变形 [25], [26]。大多数现有实验研究主要集中在不同加载周期下的裂纹扩展行为和裂纹尖端周围的变形。然而，需要多尺度实验研究来深入了解多个因素，包括微观组织特征、小裂纹扩展行为、裂纹尖端特性和塑性区尺寸的理论计算。在经典的Paris定律之后，提出了许多修正模型来预测裂纹扩展速率；然而，大多数公式主要针对长裂纹行为，其适用于小裂纹扩展的程度有限。小裂纹的扩展动力学可能无法使用线性弹性断裂力学（LEFM）可靠预测。为了解决这些局限性，几位研究者开发了专门针对小裂纹扩展预测的模型 [27], [28]。该领域的早期研究是在铝合金上进行的 [29]，为短裂纹的不同行为提供了基础见解。随后的研究 [28], [30] 研究了微观组织属性对小裂纹扩展的影响，并提出了基于这些效果的预测相关性。另一位研究者 [31] 基于微观组织理论，引入了一种包含应力强度因子范围的修正参数，为小裂纹扩展速率提供了更好的预测能力。这些工作此后成为比较评估各种预测金属合金中小裂纹扩展模型的基准 [32], [33]。尽管大量研究考察了不同金属中的小裂纹扩展行为，但明确整合微观组织不均匀性并准确预测疲劳小裂纹扩展的综合模型仍然不足。因此，对微观组织敏感的小裂纹扩展机理进行更深入的研究至关重要。因此，在本研究中，从理论和实验两方面分析了LPBF制造的TiC/Ti-6Al-4V复合材料的小裂纹扩展行为、相关机理和裂纹尖端特性，包括塑性区的发展。在25°C下，在应力比（R）为0和0.3的条件下进行了原位疲劳测试，特别着重于表征小裂纹扩展阶段及其向长裂纹行为的转变。结合扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和光学显微镜分别用于表征初始微观组织和监测裂纹扩展过程。此外，原位疲劳测试结合DIC技术，用于量化裂纹尖端顶部的应变和位移场，评估裂纹闭合行为，并确定小裂纹周围的塑性区尺寸。相应地，推导了塑性区尺寸的理论预测。最后，基于所获得的机理见解，建立了一个新型解析模型来预测小裂纹扩展速率，明确考虑了材料的不均匀性，并将模型预测与实验结果进行了系统比较。## 章节摘要### 材料、试样和微观组织本文研究的原材料由Ti6Al4V基体粉末和TiC粉末混合而成。化学成分以质量百分比表示，大约包含6.08%铝（Al）、4.10%钒（V）、0.03%铁（Fe）、0.016%碳（C）、0.072%氧（O）、0.014%氮（N）和0.003%氢（H），其余为钛（Ti）。Ti6Al4V粉末（图1(a)）通过气雾化生产，粒径范围为16–52 μm，测量的密度为……### 机械性能金属合金在循环载荷下的机械性能通常由其单调拉伸特性推断。为此，在25°C下对LPBF制造的TiC/Ti6Al4V复合材料进行了单轴拉伸实验，以评估其基本机械性能。如图4所示，典型工程应力-应变曲线得出以下数据：屈服强度852.8 MPa，极限抗拉强度887.4 MPa，延性3.2%……### 结论基于上述分析，从理论和实验两方面探讨了先进复合材料LPBF制造的TiC/Ti-6Al-4V在循环载荷下的小裂纹扩展特性以及裂纹尖端顶部和断续变形位置的应变/位移发展。主要结论如下：1. 微裂纹优先在缺口根部萌生，该处为最大应力集中区域，并沿与最大剪应力方向平行的平面扩展……### CRediT作者贡献声明**Muhammad Imran Lashari：** 撰写—初稿、方法论、正式分析、数据管理、概念化。**Wei Li：** 监督、资金获取。**Weijie Lu：** 撰写—审阅和编辑。**Zakim Hussain：** 撰写—审阅和编辑。**Asif Mahmood：** 验证。**Muhammad Waqas：** 撰写—审阅和编辑。### 利益冲突声明作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。### 致谢本工作得到中国国家自然科学基金（编号：52175128）的支持。Muhammad Imran Lashari | Wei Li | Weijie Lu | Zakim Hussain | Asif Mahmood | Muhammad Waqas