張文娟, 楊  帆, 陳超鵬

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安710089)

　　摘  要：為了獲得鈦合金微結(jié)構(gòu)組織不均勻性對氫擴(kuò)散以及力學(xué)性能的影響，建立多晶體微結(jié)構(gòu)模型，運用Voronoi圖剖分原理生成隨機(jī)晶粒，分析加載載荷晶粒取向、晶粒大小和材料屬性對微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和氫擴(kuò)散的影響。結(jié)果表明：載荷對氫擴(kuò)散有促進(jìn)作用，對應(yīng)力集中無影響；晶體取向是微結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均的主要原因，晶粒尺寸越大應(yīng)力集中越嚴(yán)重；相同載荷下，β鈦合金比α鈦合金的應(yīng)力集中更明顯，且氫容易在β鈦合金中富集。

　　關(guān)鍵詞：鈦合金; 微結(jié)構(gòu); 應(yīng)力集中; 氫擴(kuò)散

　　文中主要圖表

　　（序號為文中序號）

圖1  多晶體微結(jié)構(gòu)幾何模型

表1  β鈦合金的立方彈性常數(shù)    GPa

圖2  晶體取向的局部直角坐標(biāo)系表示法

圖3  邊界條件

圖4  網(wǎng)格劃分

圖5  不同載荷下的應(yīng)力云圖

圖6  不同載荷下的氫濃度云圖

圖7  3次隨機(jī)取向條件下的Mises應(yīng)力分布云圖

圖8  3次隨機(jī)取向條件下的氫濃度分布云圖

圖9  不同晶粒數(shù)目的多晶體微結(jié)構(gòu)模型

圖10  不同晶粒數(shù)目下的Mises應(yīng)力云圖

圖11  不同晶粒數(shù)目下的氫濃度云圖

表2  α鈦合金的立方彈性常數(shù)     GPa

圖12  不同材料屬性下Mises應(yīng)力云圖

圖13  不同材料屬性下的氫濃度云圖

　　結(jié)  論

　　（1）在不同的加載載荷下，微結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布狀態(tài)和氫濃度分布狀態(tài)基本一致，隨著載荷的增加，微結(jié)構(gòu)中的Mises應(yīng)力最大值和氫濃度最大值逐漸增加，但微結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中系數(shù)沒有發(fā)生變化，說明加載載荷對微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中沒有影響。

　　（2）每改變一次晶體取向，微結(jié)構(gòu)中的Mises應(yīng)力分布狀態(tài)就發(fā)生一次變化，且應(yīng)力集中系數(shù)也發(fā)生了變化，說明晶體取向是微結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均的主要原因。且每改變一次晶體取向，微結(jié)構(gòu)中的氫濃度分布狀態(tài)就發(fā)生一次變化。

　　（3）晶粒尺寸越大，微結(jié)構(gòu)中的Mises應(yīng)力值越大，且應(yīng)力集中越嚴(yán)重，但對微結(jié)構(gòu)中氫濃度最大值基本沒有影響，因此細(xì)化晶粒可有效降低微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

　　（4）β鈦合金和α鈦合金微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)和氫濃度分布狀態(tài)基本一致。β鈦合金微結(jié)構(gòu)中的最大Mises應(yīng)力值和應(yīng)力集中系數(shù)均高于α鈦合金的，且β鈦合金微結(jié)構(gòu)中的最大氫濃度值也高于α鈦合金的。因此β鈦合金比α鈦合金更容易發(fā)生因應(yīng)力集中而導(dǎo)致的材料斷裂失效問題和因局部區(qū)域氫濃度上升而發(fā)生的氫致開裂現(xiàn)象。