背景简介

Ti-7Al 属于典型近 α 型钛合金，其在服役载荷下会产生晶粒尺度的应力再分配与应力松弛现象。已有研究证实，这类材料中的塑性变形往往由应变突变、间歇性位错运动与滑移带形成等微观事件主导，而这些现象与晶界附近的软/硬晶粒邻域具有强相关性。特别是在蠕变或恒载荷保持条件下，软晶粒的应力会向硬晶粒转移，从而可能影响零部件的寿命。然而，通过试验手段难以直接无损获取三维晶粒内部的累积滑移，而传统晶体塑性模型又难以显式刻画间歇性塑性事件。因此，该研究旨在利用远场高能 X 射线衍射微观成像（Far-field High-energy X-Ray Diffraction Microscopy, ff-HEDM）实时追踪 Ti-7Al在恒载蠕变过程中的晶粒平均应力演化，并建立与晶体塑性模拟结果的对应关系，从而理解软/硬晶粒邻域中的应力重分布机制。

成果介绍

（1）对比晶体塑性模拟结果与高能 X 射线衍射微观成像结果可发现，晶体塑性模拟虽然能捕捉应力松弛趋势，但显著低估松弛幅度。该研究将 Ti-7Al 试样在室温条件下，施加 85% 屈服强度的载荷并保持 24.4h，随后进行了 ff-HEDM 测量，并在基于重构的三维晶粒模型上进行了等效的 CPFE 蠕变模拟。晶粒模型基于 ff-HEDM 测量得到的三维晶粒平均取向数据，并利用 Neper 软件和 Gmsh 分别完成晶粒的三维几何重构的和网格划分（图1）。该研究采用蠕变 24.4 小时后的每个晶粒平均 Mises 应力松弛的统计结果来反映应力变化。比较结果（图2）显示，晶体塑性模拟虽然能捕捉应力松弛趋势，但低估了应力松弛幅度。而且基于 ff-HEDM 计算结果（图2）表明，大量基面分解切应力较高的晶粒中发生了显著的应力松弛，但这一点在晶体塑性模拟（图2）中并没有很好的被得到。

图1 该研究所采用晶粒模型的构建方法示意图：由 ff-HEDM 测量得到的晶粒平均取向数据确定不同晶粒的（a）取向数据和（b）三维空间中位置坐标，再利用（c） Neper 软件重构三维晶粒的几何模型，最后利用（d） Gmsh 完成网格划分

图2 蠕变过程前后应力松弛试验结果与晶体塑性计算结果的对比：（a）Mises应力松弛统计直方图；（b）统计不同基面滑移分解切应力的晶粒的应力松弛值

（2）试验结果证明了基面滑移在驱动 Ti-7Al 应力松弛中的主导作用，这也证明了在计算框架中强调基面滑移系是合理的。虽然晶体塑性模拟无法很好的模拟得到高基面滑移分解切应力对应高应力松弛的结果，但是通过这类计算，可得到试验难以获得的累积滑移量这类数据，例如该研究强调的基面累积滑移量E^P_basal。图3所示为晶体塑性模拟得到的应力松弛与基面累积滑移量之间的统计结果，可发现当基面累积滑移量超过 0.005 时，应力松弛量及其分散性开始有显著的增长。

图3 晶体塑性模拟得到的应力松弛与累积基面滑移量之间的关系统计

（3）另外，该研究聚焦于一处软硬晶粒相邻的局部位置，以研究取向对应力松弛行为的具体影响。此处的软硬晶粒取向按照基面滑移系的最大施密特因子来确定，两个软晶粒的最大施密特因子分别为 0.47 和 0.45 （最大值为 0.5），中间的硬晶粒为 0.03。由图4d和4e结果可知，瞬时的应力松弛主要发生在两个软晶粒当中，且结合晶体塑性模拟结果，可得其应力松弛伴随着基面滑移的大量累积。相反的是，硬晶粒几乎在应力上持续增强，且在基面滑移上几乎没有积累。

图4 通过试验和模拟获得一处相邻软硬晶粒的应力松弛和累积滑移结果：（a）以反极图着色的三维晶粒几何形貌；（b）模拟得到的蠕变后Mises分布；（c）模拟得到的蠕变后基面累积滑移分布；（d）试验得到蠕变过程中的应力松弛过程；（e）模拟得到蠕变过程中的累积滑移变化

致谢

S.R. Yeratapally、G. Weber 和 E.H. Glaessgen 感谢 NASA 航空研究任务局的变革工具与技术项目对这项工作的支持。本文第一作者和通讯作者：Saikumar R. Yeratapally（Science and Technology Corporation, Hampton）。

本期小编 本期小编：董乃健（整理）

周子尧 （校对）

舒    阳 （审核）

王永杰 （发布）