張文娟, 楊  帆, 陳超鵬

(西安航空職業技術學院, 陜西 西安710089)

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

　　關鍵詞：鈦合金; 微結構; 應力集中; 氫擴散

　　文中主要圖表

　　（序號為文中序號）

圖1  多晶體微結構幾何模型

表1  β鈦合金的立方彈性常數    GPa

圖2  晶體取向的局部直角坐標系表示法

圖3  邊界條件

圖4  網格劃分

圖5  不同載荷下的應力云圖

圖6  不同載荷下的氫濃度云圖

圖7  3次隨機取向條件下的Mises應力分布云圖

圖8  3次隨機取向條件下的氫濃度分布云圖

圖9  不同晶粒數目的多晶體微結構模型

圖10  不同晶粒數目下的Mises應力云圖

圖11  不同晶粒數目下的氫濃度云圖

表2  α鈦合金的立方彈性常數     GPa

圖12  不同材料屬性下Mises應力云圖

圖13  不同材料屬性下的氫濃度云圖

　　結  論

　　（1）在不同的加載載荷下，微結構中的應力分布狀態和氫濃度分布狀態基本一致，隨著載荷的增加，微結構中的Mises應力最大值和氫濃度最大值逐漸增加，但微結構中的應力集中系數沒有發生變化，說明加載載荷對微結構的應力集中沒有影響。

　　（2）每改變一次晶體取向，微結構中的Mises應力分布狀態就發生一次變化，且應力集中系數也發生了變化，說明晶體取向是微結構應力分布不均的主要原因。且每改變一次晶體取向，微結構中的氫濃度分布狀態就發生一次變化。

　　（3）晶粒尺寸越大，微結構中的Mises應力值越大，且應力集中越嚴重，但對微結構中氫濃度最大值基本沒有影響，因此細化晶粒可有效降低微結構的應力集中現象。

　　（4）β鈦合金和α鈦合金微結構的應力分布狀態和氫濃度分布狀態基本一致。β鈦合金微結構中的最大Mises應力值和應力集中系數均高于α鈦合金的，且β鈦合金微結構中的最大氫濃度值也高于α鈦合金的。因此β鈦合金比α鈦合金更容易發生因應力集中而導致的材料斷裂失效問題和因局部區域氫濃度上升而發生的氫致開裂現象。