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增材制造钛合金疲劳裂纹扩展行为的近场动力学模拟

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增材制造（AM）钛合金不同材料组织不仅会造成裂尖场特征的差异，还会导致疲劳裂纹路径出现宏观偏折和分叉，并最终对速率和寿命产生影响；这种力学与材料的交互作用所导致的疲劳裂纹扩展行为需要借助于数值模拟仿真手段研究其背后的疲劳机理。本文在此前提出的近场动力学疲劳模型基础上，提出了AM钛合金材料组织的两种表征方法，并对裂尖场、裂纹路径、扩展速率等进行了模拟仿真研究，成功再现了试验中观察到的现象；通过进一步综合分析试验和模拟结果，提出可将疲劳裂纹扩展过程中力学因素和材料因素之间的交互作用看作动力和阻力的关系。

从材料晶体学出发的第一种表征方法主要针对密排六方晶粒取向，通过纯剪切、单向拉伸、双向拉伸等多种典型变形状态下的应变能等效，得到晶粒各向异性参数。通过这种晶粒取向的表征方法，研究了静力拉伸载荷下材料的变形和断裂过程；该方法能够成功描述多晶材料的裂尖场各向异性，并捕捉到不同准静态加载条件下裂纹扩展过程中的分叉现象。

从宏观断裂力学出发的第二种表征方法主要针对a相片层取向，通过定义修正函数来描述柱状晶和等轴晶的a相片层取向，并结合此前提出的近场动力学疲劳模型预测了宏观尺度的疲劳裂纹扩展行为。模拟结果再现了柱状晶大范围定向排布的a相片层对疲劳裂纹路径的偏折作用，且成功捕捉到试验观测到的三种裂纹偏折模式，与试验结果符合良好。

结合试验结果提出，在选择力学参量作为疲劳裂纹扩展驱动力时，应将材料因素考虑为疲劳裂纹扩展的阻力，且实际的疲劳裂纹扩展行为由净驱动力决定；其中，阻力的作用在均匀各向同性的传统工艺材料中体现得不明显，但在AM金属材料中的影响十分显著，在损伤容限性能表征和评价时必须加以考虑。