基于微结构特征的Ti6Al4V ELI钛合金疲劳裂纹萌生寿命晶体塑性预测方法
Crystal plasticity prediction method for fatigue crack initiation life of Ti6Al4V ELI titanium alloy based on microstructure characteristics
- 机械强度 2025年47卷第12期 页码：1-17
- 作者机构：
江南大学 机械工程学院 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，无锡 214122
- 作者简介：
杜阿龙，男，1999年生，安徽阜阳人，在读硕士研究生；主要研究方向为晶体塑性有限元；E-mail：2387230844@qq.com。
- 基金信息：国家自然科学基金项目(12372078;12372109)
DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.12.001
中图分类号： TG146.2收稿：2025-02-13，
修回：2025-03-05，
纸质出版：2025-12-15
- 稿件说明：
移动端阅览
杜阿龙，于培师，赵宇翔，等. 基于微结构特征的Ti6Al4V ELI钛合金疲劳裂纹萌生寿命晶体塑性预测方法［J］. 机械强度，2025，47（12）：1-17.
DU Along，YU Peishi，ZHAO Yuxiang，et al. Crystal plasticity prediction method for fatigue crack initiation life of Ti6Al4V ELI titanium alloy based on microstructure characteristics［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（12）：1-17.
杜阿龙，于培师，赵宇翔，等. 基于微结构特征的Ti6Al4V ELI钛合金疲劳裂纹萌生寿命晶体塑性预测方法［J］. 机械强度，2025，47（12）：1-17. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.12.001.
DU Along，YU Peishi，ZHAO Yuxiang，et al. Crystal plasticity prediction method for fatigue crack initiation life of Ti6Al4V ELI titanium alloy based on microstructure characteristics［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（12）：1-17. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.12.001.
摘要
Ti6Al4V ELI钛合金因其优异的力学性能而广泛应用于深海载人装备的重要结构中。然而，载人装备在深海服役期间，持续承受复杂的疲劳载荷，这极易导致裂纹的萌生与扩展，极端情况下甚至可能引发灾难性的断裂事故。裂纹萌生是决定整体疲劳寿命的关键因素，对其进行精确预测是确保装备安全性的关键。尽管现有的疲劳寿命分析方法已经能够在一定程度上揭示Ti6Al4V ELI钛合金的疲劳行为特征，但在预测不同微观结构材料的寿命时，其准确性仍显不足。为了解决该问题，借助电子背散射衍射（Electron Back Scatter Diffraction
EBSD）技术进行了真实微观结构模型的重构，基于晶体塑性有限元方法进行了数值模拟，构建了针对Ti6Al4V ELI钛合金的疲劳裂纹萌生寿命预测模型，模拟了双相结构Ti6Al4V ELI钛合金的低周疲劳行为，并引入了累积塑性滑移和累积能量耗散2种疲劳指示因子（Fatigue Indicator Parameters
FIPs），以全面评估疲劳过程中的损伤程度。研究结果表明，疲劳损伤主要集中在塑性滑移严重和能量耗散高的区域，特别是α相与β相的界面位置。此外，晶粒内部的拉压不对称性导致晶格旋转，进而加剧了应变的局部化，加速了微观结构的演变。通过与试验寿命数据的对比发现，基于累积塑性滑移的寿命预测方法相较于基于累积能量耗散的预测方法展现出更高的准确性。同时，与传统的Coffin-Manson（C-M）模型相比，基于疲劳指示因子的预测方法更好地揭示了不同微观结构Ti6Al4V ELI钛合金寿命的差异性。研究不仅为提高Ti6Al4V ELI钛合金疲劳裂纹萌生寿命预测的准确性提供了新的思路和方法，同时也为该材料在实际应用中的安全性和可靠性提供了有力的支持。
Abstract
Ti6Al4V ELI titanium alloy is widely used in important structures of deep-sea manned equipment due to its excellent mechanical properties. However
during deep-sea service
manned equipment is continuously subjected to complex fatigue loads
which can easily lead to crack initiation and propagation
and in extreme cases
may even lead to catastrophic rupture accidents. Crack initiation is a key factor in determining the overall fatigue life
and accurate prediction of it is essential to ensure the safety of the equipment. Although existing fatigue life analysis methods have been able to reveal the fatigue behavior characteristics of Ti6Al4V ELI titanium alloys to a certain extent
their accuracy is still insufficient when predicting the life of materials with different microstructures. To solve this problem
a realistic microstructure model was reconstructed using electron back scatter diffraction (EBSD) technology
the numerical simulations were conducted based on the crystal plasticity finite element method
and a fatigue crack initiation life prediction model for Ti6Al4V ELI titanium alloy was successfully established. The low-cycle fatigue behavior of dual-phase structured Ti6Al4V ELI titanium alloy was simulated
and two fatigue indicator parameters (FIPs)
cumulative plastic slip and cumulative energy dissipation
were introduced to comprehensively assess the extent of damage during fatigue. The results show that the fatigue damage is mainly concentrated in the regions with severe plastic slip and high energy dissipation
especially at the interface location between the α-phase and β-phase. In addition
the tensile asymmetry within the grains leads to lattice rotation
which further exacerbates strain localization and accelerates the evolution of microstructure. By comparing with the experimental lifetime data
it is found that the lifetime prediction method based on cumulative plastic slip exhibits higher accuracy compared with the lifetime prediction method based on cumulative energy dissipation. Meanwhile
the fatigue indicator parameter-based prediction method better reveals the variability of the life of Ti6Al4V ELI titanium alloys with different microstructures compared with the conventional Coffin-Manson (C-M) model. This study not only provides new ideas and methods to improve the accuracy of fatigue crack initiation life prediction for Ti6Al4V ELI titanium alloy
but also provides strong support for the safety and reliability of this material in practical applications.
关键词
Keywords
references
CARRION P E ， SHAMSAEI N ， DANIEWICZ S R ， et al . Fatigue behavior of Ti-6Al-4V ELI including mean stress effects ［J］. International Journal of Fatigue ， 2017 ， 99 ： 87 - 100 .
WANG F ， CUI W C ， PAN B B ， et al . Normalised fatigue and fracture properties of candidate titanium alloys used in the pressure hull of deep manned submersibles ［J］. Ships and Offshore Structures ， 2014 ， 9 （ 3 ）： 297 - 310 .
LIU C H ， XU X ， SUN T Z ， et al . Microstructural effects on fatigue crack initiation mechanisms in a near-alpha titanium alloy ［J］. Acta Materialia ， 2023 ， 253 ： 118957 .
高焱 ， 金海波 ， 李远杰 ， 等 . 基于FKM的增材制造钛合金结构疲劳寿命分析方法研究 ［J］. 机械强度 ， 2024 ， 46 （ 4 ）： 984 - 991 .
GAO Yan ， JIN Haibo ， LI Yuanjie ， et al . Research on fatigue life analysis method of additive manufacturing titanium alloy structure based on FKM standard ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2024 ， 46 （ 4 ）： 984 - 991 . （In Chinese）
LIN C W ， JU C P ， LIN J C . A comparison of the fatigue behavior of cast Ti-7.5Mo with c.p.titanium，Ti-6Al-4V and Ti-13Nb-13Zr alloys ［J］. Biomaterials ， 2005 ， 26 （ 16 ）： 2899 - 2907 .
吴连生 ， 于培师 ， 韦朋余 ， 等 . 基于三维理论的TC4ELI钛合金疲劳裂纹扩展研究 ［J］. 船舶力学 ， 2022 ， 26 （ 9 ）： 1354 - 1362 .
WU Liansheng ， YU Peishi ， WEI Pengyu ， et al . Fatigue crack growth of TC4ELI titanium alloy based on three-dimensional theory ［J］. Journal of Ship Mechanics ， 2022 ， 26 （ 9 ）： 1354 - 1362 . （In Chinese）
ZHAO Y X ， YU P S ， WU L S ， et al . Corrosion-induced deceleration-to-acceleration of fatigue crack growth for deep-sea Ti 6 Al 4 V ELI titanium alloy ［J］. Engineering Fracture Mechanics ， 2023 ， 281 ： 109160 .
BIAN J K ， YU P S ， ZHAO Y X ， et al . Fatigue crack growth of marine 980 high-strength steel：from standard specimen testing to three-dimensional curved crack life prediction ［J］. Ocean Engineering ， 2024 ， 296 ： 116950 .
YU P S ， GUO W L . An equivalent thickness conception for prediction of surface fatigue crack growth life and shape evolution ［J］. Engineering Fracture Mechanics ， 2012 ， 93 ： 65 - 74 .
YU P S ， GUO W L . An equivalent thickness conception for evaluation of corner and surface fatigue crack closure ［J］. Engineering Fracture Mechanics ， 2013 ， 99 ： 202 - 213 .
陶蒙 ， 于培师 ， 赵军华 . 基于晶体塑性与内聚力模型的Cu-Ni-Si合金晶界起裂研究 ［J］. 机械强度 ， 2024 ， 46 （ 5 ）： 1184 - 1191 .
TAO Meng ， YU Peishi ， ZHAO Junhua . Study on crack initiation at grain boundary of Cu-Ni-Si alloy based on crystal plasticity and cohesive zone model ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2024 ， 46 （ 5 ）： 1184 - 1191 . （In Chinese）
张海英 ， 李刚 ， 臧伟锋 ， 等 . 激光选区熔化Ti-6Al-4V钛合金疲劳裂纹扩展性能研究 ［J］. 机械强度 ， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1355 - 1360 .
ZHANG Haiying ， LI Gang ， ZANG Weifeng ， et al . Fatigue crack growth performance of Ti-6Al-4V titanium alloy by selective laser melting ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1355 - 1360 . （In Chinese）
WANG L ， YE C ， SUN C Q ， et al . Experimental investigation on compressive dwell fatigue behavior of titanium alloy pressure hull for deep-sea manned submersibles ［J］. Ocean Engineering ， 2024 ， 303 ： 117646 .
CHAN K S . Roles of microstructure in fatigue crack initiation ［J］. International Journal of Fatigue ， 2010 ， 32 （ 9 ）： 1428 - 1447 .
LU X C ， ZHAO J F ， YU C ， et al . Cyclic plasticity of an interstitial high-entropy alloy：experiments，crystal plasticity modeling，and simulations ［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids ， 2020 ， 142 ： 103971 .
MANONUKUL A ， DUNNE F P E . High- and low-cycle fatigue crack initiation using polycrystal plasticity ［J］. Proceedings of the Royal Society of London Series A：Mathematical，Physical and Engineering Sciences ， 2004 ， 460 （ 2047 ）： 1881 - 1903 .
KORSUNSKY A M ， DINI D ， DUNNE F P E ， et al . Comparative assessment of dissipated energy and other fatigue criteria ［J］. International Journal of Fatigue ， 2007 ， 29 （ 9/10/11 ）： 1990 - 1995 .
ZHANG K S ， JU J W ， LI Z H ， et al . Micromechanics based fatigue life prediction of a polycrystalline metal applying crystal plasticity ［J］. Mechanics of Materials ， 2015 ， 85 ： 16 - 37 .
SANGID M D ， MAIER H J ， SEHITOGLU H . A physically based fatigue model for prediction of crack initiation from persistent slip bands in polycrystals ［J］. Acta Materialia ， 2011 ， 59 （ 1 ）： 328 - 341 .
YUAN G J ， ZHANG X C ， CHEN B ， et al . Low-cycle fatigue life prediction of a polycrystalline nickel-base superalloy using crystal plasticity modelling approach ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2020 ， 38 ： 28 - 38 .
SWEENEY C A ， O’BRIEN B ， DUNNE F P E ， et al . Strain-gradient modelling of grain size effects on fatigue of CoCr alloy ［J］. Acta Materialia ， 2014 ， 78 ： 341 - 353 .
YUAN G J ， WANG R Z ， GONG C Y ， et al . Investigations of micro-notch effect on small fatigue crack initiation behaviour in nickel-based alloy GH4169：experiments and simulations ［J］. International Journal of Fatigue ， 2020 ， 136 ： 105578 .
YUAN G J ， WANG R Z ， ZHU W B ， et al . Experimental and simulated investigations of low cycle fatigue behavior in a nickel-based superalloy with different volume fractions of δ phase ［J］. International Journal of Fatigue ， 2021 ， 153 ： 106411 .
CRUZADO A ， LUCARINI S ， LLORCA J ， et al . Microstructure-based fatigue life model of metallic alloys with bilinear Coffin-Manson behavior ［J］. International Journal of Fatigue ， 2018 ， 107 ： 40 - 48 .
MCDOWELL D L ， DUNNE F P E . Microstructure-sensitive computational modeling of fatigue crack formation ［J］. International Journal of Fatigue ， 2010 ， 32 （ 9 ）： 1521 - 1542 .
PRZYBYLA C P ， MUSINSKI W D ， CASTELLUCCIO G M ， et al . Microstructure-sensitive HCF and VHCF simulations ［J］. International Journal of Fatigue ， 2013 ， 57 ： 9 - 27 .
MCDOWELL D L . Simulation-based strategies for microstructure-sensitive fatigue modeling ［J］. Materials Science and Engineering：A ， 2007 ， 468 ： 4 - 14 .
LIU W C ， HUANG J ， LIU J W ， et al . Experimental and crystal plasticity modelling study on the crack initiation in micro-texture regions of Ti-6Al-4V during high cycle fatigue tests ［J］. International Journal of Fatigue ， 2021 ， 148 ： 106203 .
全国钢标准化技术委员会 . 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法 ： GB/T 228.1—2021 ［S］. 北京 ： 中国标准出版社 ， 2021 ： 12 - 15 .
National Technical Committee of Steel Standardization . Metallic materials：tensile testing： part 1： method of test at room temperature ： GB/T 228.1—2021 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2021 ： 12 - 15 . （In Chinese）
LIU L Y ， YANG Q S ， LIU X ， et al . Crystal cracking of grain-gradient aluminum by a combined CPFEM-CZM method ［J］. Engineering Fracture Mechanics ， 2021 ， 242 ： 107507 .
MATSUMOTO H ， YOSHIDA S ， SASE R ， et al . Crystallographic rotation of Ti-6Al-4V alloy with a fiber texture component under isothermal forging through experimental and CPFEM analyses ［J］. Materialia ， 2023 ， 30 ： 101839 .
ZHOU D W ， WANG X W ， YANG X Y ， et al . A generalized physical-based failure indicator parameter used in crystal plasticity model to predict fatigue life under low cycle fatigue and creep-fatigue loadings ［J］. International Journal of Fatigue ， 2023 ， 166 ： 107290 .
BALASUBRAMANIAN S ， ANAND L . Plasticity of initially textured hexagonal polycrystals at high homologous temperatures：application to titanium ［J］. Acta Materialia ， 2002 ， 50 （ 1 ）： 133 - 148 .
OGI H ， KAI S ， LEDBETTER H ， et al . Titanium’s high-temperature elastic constants through the hcp-bcc phase transformation ［J］. Acta Materialia ， 2004 ， 52 （ 7 ）： 2075 - 2080 .
HE T ， TANG Y X ， WU H B ， et al . Research and analysis of TC4 titanium alloy cutting based on crystal plasticity theory ［J］. Journal of Physics：Conference Series ， 2024 ， 2785 （ 1 ）： 012131 .
ZHANG K ， WU X ， DAVIES C H J . Effect of microtexture on short crack propagation in two-phase titanium alloys ［J］. International Journal of Fatigue ， 2017 ， 104 ： 206 - 220 .
王雷 ， 王琨 ， 李艳青 ， 等 . TC4ELI钛合金低周疲劳性能研究 ［J］. 钛工业进展 ， 2018 ， 35 （ 2 ）： 17 - 21 .
WANG Lei ， WANG Kun ， LI Yanqing ， et al . Low-cycle fatigue properties of TC4ELI titanium alloy ［J］. Titanium Industry Progress ， 2018 ， 35 （ 2 ）： 17 - 21 . （In Chinese）
0
浏览量
0
下载量
0
CSCD
- 网络PDF下载
- BibTeX下载
- Endnote下载
- RefMan 下载
- NoteExpress下载
- NoteFirst下载
关联资源
相关文章
相关作者
相关机构
- 技术支持由北京北大方正电子有限公司提供 豫ICP备05013835号-4
京公网安备11010802024621 - 本系统建议在Chrome、 IE9+ 以上版本浏览器阅读本站内容，360浏览器请切换至极速模式
- Cookies帮助我们提供服务并提供个性化体验。使用本网站，即表示您同意我们使用Cookies