基于Ti合金真实微观组织的3D建模及其力学行为数值模拟研究

Establishing the underlying relationship between titanium alloy’s complex microstructures and its mechanical behaviors is significant for promoting titanium’s practical applications in industry. Unfortunately, microstructure evolution and response to a specified mechanical load are hard to be tracked or quantificationally characterized using the current experimental techniques. In addition, finite element modeling based on two dimensional microstructure pictures is inconsistent with the actual microstructure characteristics and the true service conditions. The methods proposed in this project will break through such limitations by focusing on the α + β dual titanium alloy TC4, including three dimensional (3D) microstructure reconstruction based on MicroCT, constitutive equation establishment and parameter fitting for the individual phase, and meson-macro multiscale modeling. In this way, the realistic microstructure evolutions under quasi-static or high strain-rate loadings are expected to be simulated, and the stress/strain fields in different phases or grains can be captured in 3D space, so as to reveal the interaction mechanisms between individual phases. Furthermore, effects of phase ratios, sizes, orientations, and distributions on titanium alloy’s mechanical behaviors will be discussed, and the underlying deformation or failure mechanisms are expected to be unraveled theoretically, which would be helpful to optimize microstructures of titanium alloys. Methodologies proposed in this project can also support developments of other multi-phase alloys.

揭示Ti合金复杂微结构特征与其力学行为之间的内在关系对于充分挖掘其应用潜力具有重要意义，但现有试验手段难以对特定载荷作用下的微结构演化过程进行实时跟踪和量化表征，且基于二维微观组织照片的有限元建模及模拟与真实的微结构特征及服役环境并不一致。本项目将克服上述局限，以α+β两相Ti合金TC4为研究对象，通过所提出的MicroCT三维重构与建模、单相本构模型构建及参数获取、介-宏观尺度关联方法等系列技术，实现材料在准静态及高应变率条件下微观组织的演化过程模拟，近真实的再现应力场、应变场等关键参量在不同相及各个晶粒内部的三维空间分布特征；揭示出不同相之间的相互作用机制，以及相比例、相尺寸、相取向、相分布等结构因素对其力学响应行为的影响规律，从而更为深入地揭示Ti合金微观组织的变形及失效机理，为该类材料的优化设计提供理论指导。相关工作对于其他多相合金类材料的研发也具有重要的技术支撑作用。

钛合金具有低密度、高强度、良好的耐热及耐蚀性等诸多优异性能，但其静/动态力学性能对微观组织十分敏感。由于微观组织内部的各组成相因热加工及热处理工艺参数不同而呈现出不同的相比例、相尺寸、相形态、相分布等复杂特征，使得对钛合金力学性能的精确调控十分困难。建立基于微观组织预测材料力学行为的数值模拟方法，对于揭示材料的力学响应过程及内在机理、优化工艺参数具有重要意义。然而传统的基于二维微观组织的数值模拟方法并不能反映钛合金微观组织在三维空间的复杂分布特征，很大程度上影响了计算结果的可靠性。基于此，本项目以典型的双相钛合金为研究对象，围绕其复杂微观组织的三维模型构建及静/动态力学行为数值模拟等方面内容进行了较为系统和深入的研究。开发了显微组织图像的有限元建模软件，解决了材料微观组织有限元网格模型构建过程繁琐且网格尺寸不均一的难题；开发了宏-微观跨尺度模拟软件，可高效计算宏观结构件局部微区微观组织的力学响应行为。实现了钛合金复杂微观组织的3D模型重构、定量表征及有限元网格模型的构建；再现了微观组织模型内部应力/应变在3D空间内的演化过程，揭示了微结构特征对材料弹塑性变形过程影响规律；再现了钛合金动态压缩试样过程局部微区的绝热剪切变形过程，探明了3D微观组织在高应变率复杂受力状态下的演变过程及内在机理。本项目共发表SCI论文14篇，获授权发明专利2项、软件著作权5项，获2018年国防科技发明二等奖1项，获“金盾2019”防弹防爆材料技术挑战赛科目B金属材料组第一名。