近日，有研究者利用透射電子顯微鏡(TEM)和離散位錯塑性模型(DDP)準確地預測了代表噴射發(fā)動機旋轉(zhuǎn)試驗“最壞情況”的微結(jié)構壽命，該研究為航空發(fā)動機壽命的定量分析奠定了基礎，對延長航空發(fā)動機的壽命，提高其可靠性和改善性能有著重要意義。相關論文發(fā)表在NatureCommunications上。

眾所周知，20世紀50年代的彗星客機故障與疲勞有關，這類事故促使人們對這一現(xiàn)象進行研究，并將材料的疲勞強度作為基本設計參數(shù)。疲勞通常是指構件上應力低于名義屈服強度，沒有明顯缺陷或其他應力集中特征的條件下，由于存在交變應力而發(fā)生的破壞。疲勞強度成為結(jié)構材料的一個設計參數(shù)，小體積的試樣可能不包含關鍵的微觀結(jié)構缺陷，從而具有較高的疲勞壽命。失效可能是由于大體積構件在使用時發(fā)生不同機理的損傷而導致的，因此測試件故障的統(tǒng)計分析本身可能無法解決這個問題。

冷態(tài)疲勞發(fā)生在一些合金中，其中局部蠕變變形可能發(fā)生在取向良好的基體或滑移晶粒上，導致應力重新分布在取向不好的滑移晶粒上(與加載方向平行的c軸)。微組織區(qū)(MTRs)是由晶粒取向相似的連續(xù)晶粒團簇形成的。位錯可以很容易地滑過具有高結(jié)晶共性的晶界，在由易滑移取向良好的晶粒組成的軟宏觀區(qū)和易滑移取向不好的晶粒硬宏觀區(qū)之間的邊界產(chǎn)生堆積。

TEM可用于研究裂紋萌生附近晶界上的位錯相互作用。鈦合金中的大量滑移導致了室溫下的蠕變和隨后的載荷降低。離散位錯塑性模擬了位錯的活動，其沿確定的滑移面的集體運動產(chǎn)生了金屬內(nèi)部的塑性。傳統(tǒng)的二維DDP框架已經(jīng)被用于研究各種加載條件下的局部微變形，包括拉伸、壓縮、彎曲、壓痕和滑動。

在此，研究者利用TEM、高分辨率電子背散射衍射(HR-EBSD)和DDP模型，通過綜合試驗和數(shù)值方法研究了鈦合金Ti-834中的疲勞。為了避免采樣問題，研究者特意創(chuàng)建了樣本和模型，其中包含了最壞情況下的微觀結(jié)構特征，即相鄰的“硬”和“軟”宏觀區(qū)域。研究者證明，在Ti-834中，如果外加應力超過約0.80σy的閾值，棱柱滑移發(fā)生在軟晶中，導致在硬晶界處位錯堆積，從而導致硬-軟晶界處的應力集中。循環(huán)載荷的減少以及循環(huán)過程中的溫度偏移導致軟顆粒中位錯的密度大大降低，有時，硬顆粒中基體位錯會完全消除。

綜上所述，該工作對(有效)硬-軟宏觀區(qū)樣品的停留疲勞檢測工作提供了明確的證據(jù)，即透射電鏡(TEM)揭示的棱鏡在軟晶粒中的滑移導致了位錯堆積，這在棱柱上產(chǎn)生了高應力集中，并堆積在相鄰的硬晶粒中。與此同時，典型微觀結(jié)構的DDP模型顯示，這些應力足夠高，足以在硬晶粒中形成基底位錯。通過模擬假設最壞情況下的微觀結(jié)構特征，并安排測試材料也包含了這些特征，克服了試樣的局限性。然后，模型和試驗驗證了在相對較低的應力下的駐留失效，這與在大型圓盤鍛件的旋轉(zhuǎn)試驗中觀察到的駐留失效非常相似。