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疲劳断裂是机械构件常见的断裂形式,是影响空天飞行器安全稳定性的重要因素,历来都是材料的组织与性能领域的研究热点。高强韧钛合金因拥有较高的比强度,优异的防腐蚀性能和疲劳性能等,作为结构材料在航空航天领域备受青睐,广泛用于大飞机起落架、防撞击梁和弹簧等。随现代航空航天飞行器的快速发展,要求关键结构件用高强韧钛合金拥有更优异的强塑性匹配和疲劳等综合性能。而疲劳断裂影响因素的多样性和高强韧钛合金组织与性能关系的复杂性,给高强韧钛合金的疲劳损伤及断裂机制的研究带来了很大困难。因此,如何揭示显微组织特征参数对高强韧钛合金疲劳损伤的影响规律,实现对高强韧钛合金疲劳性能的调控,是目前国内外高强韧钛合金应用面临的重要基础问题和亟需解决的关键技术。为此,本文以新型高强韧Ti-55531合金为研究对象,优选典型片层和双态两种组织,深入研究了合金静载下的变形及断裂行为;在此基础上,系统研究了合金的高周和低周疲劳性能、循环载荷下的变形机制、疲劳裂纹萌生及扩展行为;还深入分析了这两种组织在静载和循环载荷下的长裂纹扩展行为。主要结论如下:静载拉伸和扭转实验表明,合金的性能差异是由主导变形的组织因素及变形机制的不同导致。拉伸时,片层的强度低于双态,塑性略高于双态。双态中主导变形的是等轴初生α(αp),变形机制主要为柱面滑移;双态中细小的β转变组织(βtrans)有较高的强度,使双态拉伸强度高于片层。片层中主导变形的是粗大次生α(αs)片,变形机制主要为滑移和{101—1}α孪生;粗大αs片的孪生协调变形,促进片层的延伸率略高于双态。扭转时,片层的强度和塑性都略高于双态。双态中主导变形的组织和变形机制与拉伸时相似;而片层中主导变形的组织和拉伸时相同,但变形机制只有滑移没有孪生,塑性变形受阻,使其扭转强度高于双态。切应力比正应力更易使合金变形损伤,因此两种组织的扭转强度低于各自的拉伸强度。原位SEM拉伸分析指出,静载下组织特征对裂纹萌生及扩展有强烈影响。片层的裂纹主要萌生于αs/β界面,并沿αs/β相界扩展。原因是片层中粗大αs片属较软相,最先变形促进位错开动,位错运动至αs/β界面处堆积,应力集中萌生裂纹。双态的裂纹主要萌生于等轴αp内及αp/βtrans界面,并沿αp/βtrans界面扩展。因为双态中,等轴αp是相对最软相,变形时大量滑移系开动,不同位向的位错线交割及位错在αp/βtrans界面处堆积产生应力集中,导致微裂纹的萌生。高周疲劳实验结果显示,组织特征显著影响Ti-55531合金的高周疲劳性能。合金强度对高周疲劳极限的贡献大于塑性的贡献,导致双态比片层有更高的疲劳极限。根据两种组织的高周疲劳极限,建立了合金的Goodman疲劳图。高周疲劳裂纹萌生机制分析指出,片层中,循环变形主要受粗大αs片的滑移和{101—1}α孪生控制;片层中晶界α和组织不均匀的微区(≤20μm)内粗大αs片是疲劳微裂纹的优先形核位置。双态的循环变形受等轴αp的柱面滑移,βtrans内细小αs片的滑移和{1—011}α孪生的共同控制;双态中的等轴αp内滑移带处和αp/βtrans界面疲劳微裂纹的优先萌生位置。晶界α对片层的微裂纹萌生的促进作用远大于双态。由此揭示了组织参数对高周疲劳裂纹萌生的影响机制,建立了两种组织的高周疲劳裂纹萌生机制模型。低周疲劳分析结果表明,合金的循环应力响应行为强烈依赖应变幅的大小。应变幅小于等于0.8%时,片层和双态都先循环硬化,到最大应力后有轻微循环软化,之后循环饱和,且双态硬化程度大于片层。应变幅大于0.8%时,两种组织都有显著的循环软化:应变幅在0.8%~1.0%时,双态比片层的循环软化速率低;应变幅在1.0%~1.5%时,双态比片层的循环软化速率高。两种组织的低周疲劳裂纹萌生机制分析表明,片层的循环变形主要由粗大αs片完成,位错变化主要发生在粗大αs片中。无论应变幅的高低,片层的位错变化都是产生大量位错缠结和少量孪晶。双态的循环变形主要由相对软的等轴αp相完成。低应变幅时,双态的位错变化是形成位错线、位错网格和位错缠结。高应变幅时,双态的位错变化是形成大量位错缠结、少量亚结构和孪晶。断裂韧性KIC和疲劳裂纹扩展速率da/dN的研究表明,合金长裂纹扩展对组织因素和载荷的敏感性不同。静载下,片层的KIC(67.2 MPa·(?))比双态的(63.2MPa·(?))高。循环载荷下,较低的应力强度因子范围△K(△K<26.47 MPa·(?)),双态的da/dN低于片层。双态比片层对较高的名义应力强度更敏感,当△K>26.47MPa·(?)时,双态的da/dN高于片层。根据合金的高低周疲劳断口、断裂韧性及疲劳裂纹扩展速率断口的长裂纹扩展特征分析,揭示了组织特征对合金长裂纹扩展的影响规律。合金的裂纹扩展机制依赖裂纹的萌生机制。片层中裂纹在晶界α及αs/β界面的萌生机制促进裂纹沿晶界和αs/β界面扩展。双态中裂纹在等轴αp相内及αp/βtrans界面的萌生机制促进裂纹向等轴αp聚集处扩展。片层中曲折的裂纹路径源于裂纹穿过粗片αs及晶界时扩展方向偏转形成较高的台阶。双态中细小的等轴αp和针状αs只能使裂纹扩展方向偏转时产生小台阶,导致裂纹扩展路径比片层的平滑。