双相钛合金因具有较高的比强度、良好的断裂韧性和耐腐蚀性能，在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。钛合金制造的关键承载部件通常在极端载荷下使用，如循环载荷。因此，钛合金的低周疲劳（LCF）行为和寿命受到了许多学者的关注。来自西北工业大学材料科学与工程学院的Yanxi Li等人开发了基于真实微观结构的晶体塑性有限元（CPFE）模型和两种疲劳指示因子（FIP）。然后，基于所开发的模型开展了循环变形行为、疲劳损伤和寿命预测研究。最后对研究中使用的两种FIP的疲劳寿命预测能力进行了评估。本研究采用的TA15钛合金α相转变为β相的温度约为985 ℃。初始材料具有典型的等轴结构。为了获得三峰微观组织，进行了三步热处理，即965 ℃的近β热处理、950℃的α+β热处理和810 ℃的正常退火。因此，获得的三峰微观组织包括三个组成相。如图 1 所示，基于真实的三峰微观结构构建 2D RVE，以研究循环变形行为。基于微观结构的模型可以表示实际的微观结构特征、形态和相邻晶粒之间的不匹配，从而可以更准确地模 LCF损伤行为。图 1(a) 示了反极图，从中提取了晶体取向数据。图 1(b)描绘了RVE几何形状。几何模型由CPE4R元素离散化。将周期性边界条件分配给 RVE，如图 1(b)所示。![]()
图1 基于真实微观结构的 CPFE 模型：(a) 代表性微观结构的 EBSD 图；(b) 由周期性边界条件施加的代表性体积元素 (RVE)；(c) 施加的循环载荷。
模型参数通过参考先前的文献和实验数据拟合获得。利用所有校准参数，在0.7%、0.8%、0.9%和1.6%应变幅度水平下模拟循环变形行为，并与实验结果进行比较，如图2所示。良好的一致性进一步证明了材料参数的有效性。![]()
图2 不同应变幅度下实验和模拟应力-应变响应的比较
图3列出了不同应变幅值下第10次循环结束时塑性应变积累（PSA）的分布情况。显然，随着应变幅值的增加，PSA明显增大，局部区域得到强化，表明疲劳裂纹萌生和寿命降低的风险较大。图4给出了不同应变幅值下10次循环后能量耗散累积的分布情况，与图3中的PSA相比，其分布和规律相似。![]()
图3 不同应变幅度水平下第 10 次循环结束时 PSA 的分布：（a）0.7%；（b）0.8%；（c）0.9%；（d）1.2%；（e）1.6%。
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图4 不同应变幅值水平下10次循环后能量耗散累积分布：（a）0.7%；（b）0.8%；（c）0.9%；（d）1.2%；（e）1.6%。
图5显示了PSA和累积能量耗散随循环数的变化。需要说明的是，图5的数据是对应于整个RVE中的最大值得出的。这些图显示出循环数与最大PSA和累积能量耗散之间的近似线性关系。PSA和能量耗散的积累几乎在相同的位置局部化和强化。此外，PSA和累积能量耗散都随循环次数线性增加，如图5所示。这导致两个模型的寿命预测结果相似。随着应变幅值的增加，基于PSA的FIP表现出比基于累积能量耗散的FIP更高的疲劳寿命预测精度。随后，根据两个FIP及其阈值预测了LCF寿命。此外，对两种预测方法进行了评估。基于PSA和能量耗散累积模型预测的疲劳寿命如图6所示。![]()
图5 循环次数与 FIP 之间呈近似线性关系：(a) PSA，(b) 累积能量耗散。
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图6 使用两个疲劳指标参数进行寿命预测：PSA 和累积能量耗散。
相关研究成果以“Low-cycle fatigue behavior and life prediction of
TA15 titanium alloy by crystal plasticity-based modelling”为题发表在Journal of Materials Research and Technology上(Volume 23, March–April 2023, Pages 954-966)，论文第一作者是Yanxi Li，通讯作者是Mei Zhan和Pengfei Gao。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.01.063
