中文摘要：

近α型高温钛合金在保载疲劳条件下的疲劳寿命显著降低，严重制约其在航空发动机上的应用。本项目拟针对钛合金的保载疲劳问题，借助大规模原子模拟，并结合实验研究保载疲劳及断裂的主要影响因素及其作用机理。通过分析已有大量实验结果并设计特定实验对疲劳断裂的微观组织特征进行观察、分类和定量统计，获得疲劳裂纹萌生的典型晶体结构及位错组态信息，以此为基础建立多晶原子模拟模型。采用分子动力学等方法模拟钛合金中的位错滑移、位错之间相互反应及位错与不同类型晶界和相界的相互作用；研究钛合金疲劳形变过程中的应力应变及损伤的积累，揭示疲劳微裂纹萌生的原子机制，甄别与裂纹形核相关的特征微观组织结构，探索应力水平和保载时间影响疲劳寿命的作用机理，为有效控制微观组织以改善高温钛合金疲劳性能提供理论基础。

结论摘要：

我们对比研究了Ti-6Al-2Sn-4Zn-6Mo（简称Ti6246）和Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo（简称Ti6242）的保载疲劳行为，揭示了Mo含量对保载疲劳的影响主要体现在两方面首先，从Ti6242到Ti6246, 随Mo含量提高，因β转变温度降低导致的‘过冷’增大，α相从β相析出的形核率增大，这有利于β相区锻造后冷却时一个原始β晶粒内形成的α片从单变体向多变体转变，相当于降低了微织构强度。其次，重元素Mo减缓钛合金中的扩散，从而使晶粒长大变慢。较小的晶粒尺寸使位错更均匀地成核，从而减小滑移带间距。同时小的晶粒尺寸使位错滑移长度减小，从而减小累积应变。这两个因素减小应力集中，从而减缓保载疲劳裂纹形核。对Ti624x(x=2,4,6)合金的疲劳裂纹扩展研究表明，高应力比减少裂纹偏折从而增大裂纹扩展速率的现象可归于两个因素的作用一是大应力比会减少裂纹断面的接触从而增大deltaK_eff; 二是在本研究中大应力比对应于高的K_max值，这导致更严重的裂纹分叉，裂纹沿两个方向交替扩展，致使裂纹扩展路径相对更平滑。我们在晶粒尺寸达2mm的特别粗大显微组织的Ti6242和Ti6244合金中，在低应力比条件下(R=0.1)，观察到疲劳裂纹扩展曲线上存在一个转折点。这是因为，在Paris区域的早期阶段，长、直的解理扩展导致强烈的粗糙度所致裂纹闭合，很显然这会降低疲劳裂纹扩展速率。采用分子动力学方法模拟了不同位向拉伸条件下位错与共格孪晶的交互作用，观察到塑性变形依赖于拉伸位向，揭示了两个典型过程。在第一个过程中，位错穿越晶界进入相邻晶粒，促进孪晶变形，随后于基面萌生裂纹；在第二个过程中，位错在晶界反弹回来，在该处产生裂纹。在两种情况下，晶界处均存在残余缺陷结构。这些结果表明存在一系列拉伸位向，使得位错与孪晶界的交互作用导致基面裂纹的萌生。疲劳裂纹起源于累积塑性变形，作为塑性变形载体的位错滑移过程会反应形成各种点缺陷组态，这些组态通过与位错的进一步交互作用影响滑移阻力和裂纹萌生与扩展。我们采用原子模拟并结合赝动力学方法，系统研究了α-钛中不同温度下位错偶的湮灭。与面心立方金属不同，α-钛中的团簇化过程更短，但团簇结构更稳定。这些位错转变产物的形成对加工硬化产生重要影响，并可能成为疲劳位错缠结的形核点。