导读

钛合金凭借其密度低、比强度高以及成形能力好等优异的综合性能，成为航空航天领域制备承力结构件不可或缺的关键材料，而高速发展的新型空天飞行器等高端装备也对钛合金提出了更高标准的性能要求。在传统实验科学的基础上，发展材料集成计算工程对加速合金开发、优化合金成分、设计合金组织有着重要意义。在多种材料计算方法中，晶体塑性有限元方法（CPFEM）能够反映材料介观尺度下的塑性变形机制，是研究合金微观组织内部不均匀变形、织构演化、损伤累积等行为的有效手段。因此，建立合适的晶体塑性本构模型描述钛合金的组织-性能关系，是进行高性能钛合金组织设计与性能预测的关键问题。

研究成果简介

近日，凝固技术国家重点实验室李金山教授团队，联合西安交通大学前沿科学技术研究院王栋教授团队，以具有典型双相组织特征的高强钛合金为研究对象，针对等轴组织与片层组织中α/β相界面引起的强化作用分别进行定量化描述，建立了耦合α/β相界面强化的晶体塑性模型。现有研究中对合金晶体塑性本构参数的获取大部分基于单相组织塑性变形模拟结果与宏微观力学实验结果的拟合，忽略了双相组织中相界面附近材料与晶内材料的性质差异，导致对双相组织钛合金力学性能进行预测时仍存在较大误差。因此，本文以经典唯象型晶体塑性本构模型为基础，针对钛合金两种典型微观组织特征，结合相场法的计算结果，引入弹性能、界面能、界面密度等关键参数，定量考虑了相界面影响区对滑移抗力的强化贡献。将改进后的晶体塑性本构模型应用于基于真实组织建立的组织模型变形行为模拟计算中，大大提升了对两相组织钛合金的性能预测精度。文章提出的量化策略可推广应用于其他具有类似组织特征的合金体系，为介观尺度下建立钛合金组织特征-力学性能关系以及提高晶体塑性模型性能预测能力提供了新思路，具有重要的工程应用前景。

相关研究成果以“Quantification of α phase strengthening in titanium alloys: Crystal plasticity model incorporating α/β heterointerfaces”为题发表在金属领域国际顶级期刊International Journal of Plasticity (DOI: 10.1016/j.ijplas.2022.103444)。该论文通讯作者为凝固技术国家重点实验室唐斌教授，王毅教授，第一作者为博士研究生张梦琪。该工作获得国家重点研发计划(2021YFB3702603)和凝固技术国家重点实验室自主研究课题(2022-TS-06)的资助和支持。

图文导读

图1 基于微观组织特征的钛合金α/β界面强化作用量化策略示意图

图2 针对等轴状α晶粒建立描述界面影响区内滑移抗力变化的分布函数

图3 基于层片状α晶粒引起的弹性应变场分布量化片层组织中α/β界面强化作用

图4 基于晶体塑性理论计算的等轴组织拉伸变形力学响应与应变分配行为

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103444

文 案：唐 斌

责 编：王俊杰

审 核：蔡利剑，苏海军