载荷和显微组织因素对高强韧钛合形变损伤的控制机理研究

Titanium alloy with high strength & high toughness are the key structural materials in aerospace and aeronautic fields, etc, deformation damage behavior is the bottleneck problem influencing the engineering applications during its performing process. The researching object for this project is the deformation damage behavior for the high strength & toughness titanium alloys with different dominating mechanical properties. Systematical study will be made on the basic scientific problems such as plastic deformation mechanics, crack initiation mechanics, interactions between plastic region in crack tip and crack expansion loads in crack expanding route, microstructure controlling factors for deformation with various loads and microstructures. Micro-control mechanism of crack initiation and crack expansion will be clarified for the alloy during deformation damage process. Key factors of controlling the deformation, crack initiation load of crack expansion and microstructure for the alloy will also be disclosed, which can provide reliability in engineering application with experimental and theoretical foundation for the high strength & toughness titanium alloys.

高强韧钛合金是航空航天等应用领域不可或缺的关键结构材料，其服役过程中的变形损伤行为是高强韧钛合金工程应用的瓶颈问题。本项目针对高强韧钛合金载荷条件下的形变损伤行为，通过系统研究在不同载荷、不同组织条件下合金的的塑性形变机制、裂纹萌生机制、裂纹尖端塑性区与裂纹扩展的交互作用以及裂纹扩展路径的载荷和显微组织控制因素等基础科学问题，阐明高强韧钛合金形变损伤过程中裂纹的萌生和扩展的微观控制机理。揭示控制高强韧钛合金形变、裂纹萌生、裂纹扩展的载荷和显微组织结构的关键因素，为高强韧钛合金在工程应用中服役的可靠性奠定实验与理论基础。

高强韧钛合金是航空航天领域不可或缺的关键材料，其服役过程中的形变损伤行为一直是制约高强韧钛合金构件服役过程长寿命和高可靠性的核心问题。针对该问题，项目组以Ti-55531、TC21以及Ti5321合金为研究对象，通过热处理分别设计了Ti55531和TC21的双态和片层两种典型使用状态组织，通过不同热加工和热处理设计了Ti5321合金片层、网篮、双态和等轴四种典型组织。研究了Ti55531和TC21合金两种典型组织状态下合金承受拉伸、扭转和压缩不同载荷的协调变形机制；Ti55531和TC21合金不同组织、不同原位加载条件下裂纹的萌生和扩展机制；Ti55531和TC21高周和低周拉压加载条件下疲劳裂纹的萌生、扩展和扩展路径的显微组织控制机制；Ti5321合金断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率的显微组织控制机制。阐明了高强韧钛合金形变损伤过程中裂纹的萌生和扩展的微观控制机制。揭示了控制高强韧钛合金形变、裂纹萌生、裂纹扩展的载荷和显微组织结构影响因素，为高强韧钛合金在工程应用中服役的稳定性与可靠性奠定了理论基础。依托该项目，发表学术论文26篇，申报专利1项，在国内外专业学术会议做交流报告9次，培养博士研究生4名（2名还未毕业），硕士研究生3名。在该项目理论指导下设计新型高强韧钛合金一种，理论成果支撑了Ti55531合金和TC21合金在我国国防军工领域的进一步应用。