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钛合金具有比强度高、耐蚀性等优异性能，已成为航空、宇航工业中广泛应用的重要结构材料。我国钛合金的自行研制是从20世纪60年代才刚刚开始的，在钛合金工程应用上，我国存在较大差距。除制造工艺的制约外，在钛合金损伤行为、失效机理及性能评价与表征研究方面的差距更是显而易见的。疲劳断裂是航空钛合金及其焊接结构尤其是发动机转动部件最主要的失效模式。研究表明，在材料疲劳损伤过程中，短裂纹行为研究占有重要的地位。但由于短裂纹问题的复杂性，到目前为止许多问题仍没有得到很好的解决，尤其是短裂纹群体间的相互作用规律是短裂纹研究所要解决的关键问题，也是疲劳界比较关注的重要课题。
本文采用试验观测与计算机仿真相结合的方法，对钛合金焊接接头的组织与性能及其光滑焊缝表面疲劳短裂纹演化行为的一些典型特征进行了系统研究。首先，测试了焊接接头的显微硬度分布规律、光滑焊接试件的拉伸性能，获得了焊接接头的静态力学性能数据，为进一步的疲劳试验提供了加载依据。进行了焊接接头金相组织分析，了解了焊接接头不同区域的微观结构特征，并详细讨论了微观结构对短裂纹行为的影响。同时，比较了焊接接头与母材疲劳性能的差异，进行了焊缝与母材等截面试件及缺口试件两组疲劳寿命对比试验，确定了焊接接头的疲劳最薄弱区。结果表明：焊接接头的焊缝区晶粒比较粗大，晶内为片层组织结构，静强度较高，塑性较差，是焊接接头疲劳性能的最薄弱区。相反，热影响区部位微观组织比较细密，塑性较好，静强度值与母材相当，并且具有较好的疲劳性能。
其次，采用复型技术对光滑焊缝表面疲劳短裂纹演化行为进行了试验观测与分析，获得了不同应力水平下钛合金光滑焊缝表面疲劳短裂纹的主要演化特征及损伤机理。短裂纹的群体行为决定着材料的疲劳损伤过程，在短裂纹演化过程中，裂纹的扩展和相互作用现象共存。在寿命前期和中期以裂纹萌生为主要损伤形式，同时伴随裂纹的扩展长大；寿命后期裂纹相互之间的合并，成为裂纹长大的主要因素，表现出较强的裂纹干涉行为。受微观结构的影响，短裂纹扩展裂纹路径曲折，具有分形特征。
在以上工作的基础上，考虑到短裂纹扩展在时间和空间上的随机性，用MonteCarlo方法建立了一个综合短裂纹扩展、合并、干涉行为的物理仿真模型，并以可视化的形式再现了疲劳短裂纹的群体演化过程。建模时将材料的微观结构等各种特性的影响，引入到仿真模型中，反映了短裂纹与材料微观结构以及短裂纹之间的相互作用。不同于传统模型中用圆或矩形对于应力松弛区域的几何简化描述，从裂纹扩展的能量角度对模型进行修正，将应力松弛区域模糊化来描述短裂纹的干涉行为，从裂纹扩展机理方面完善了原有模型。
此外，应用仿真样本数据，分析了短裂纹终态的分形维数和疲劳寿命的分布特征及分散性。结果表明：样本的寿命值比较分散，材料微观结构的差别即样本的随机性是各试样疲劳寿命分散性的主要影响因素；短裂纹终态的分形维数值比较稳定，其值与试验得到的计算结果比较接近，这种分维特征反映了微观结构对短裂纹扩展的障碍作用，从而造成了裂纹扩展路径的曲折性以及无序的裂纹扩展路径中的确定性。