长途货运工具的结构轻量化是降低油耗的需要，轻量化的潜在材料包括Al-Li、高强度亚稳β钛合金等。由于亚稳β钛合金在常温下有韧性断裂倾向，其在关键结构件中的应用受到限制。将导致亚稳β钛合金晶界韧性断裂的因素量化，进而降低其使用时的失效风险是十分必要的。目前，对亚稳β钛合金的晶界韧性断裂问题已进行了定性研究，但在定量分析方面还没有成功的报道。
美国北德克萨斯大学OsovskiS等人研究了室温下断裂机制为晶界韧性断裂时，显微组织和材料性能对裂纹扩展抗力的影响。使用早期布朗大学Gurson博士对渐近空化塑性硬粒系统提出的本构关系作为定量研究模型，将基体材料看成一个各向同性的粘塑性固体，孔洞用空隙体积分数表示，以晶粒的大小和晶界α层的厚度来表示裂纹扩展的长度，以裂纹尖端的J积分值和撕裂模量值定量表示晶粒屈服强度、平均晶粒尺寸、晶粒形貌以及α层的连续性对裂纹扩展抗力的影响。
研究人员对局限于晶界层的二维多晶材料(认为在整个厚度上晶粒形貌不变)，在模式Ⅰ平面应变下对小尺度的裂纹扩展进行了模拟和分析，计算了断面的高度波动和裂纹扩展方向上断面粗糙程度的赫斯特(Hurst)指数，获得了晶粒屈服强度、平均晶粒尺寸、晶粒形貌以及晶界连续性对裂纹扩展抗力、断裂时的塑性消耗以及断面粗糙度的影响。
研究结果表明，β相的屈服强度在900～1300MPa时，裂纹扩展初始阶段对β相的屈服强度变化不敏感，同样，β相的屈服强度在1100～1300MPa时，撕裂模量对β相的屈服强度变化也不敏感，但在β相的屈服强度为900MPa时的撕裂模量值要比屈服强度为1100MPa时高出约22%。生成新的自由表面所需的塑性消耗非常小，不到断裂时总塑性消耗的1%，但随着新的自由表面的增加，塑性消耗增加，如形成环状晶界α相时，塑性消耗增加50%，相应由于裂纹扩展路径的改变，裂纹扩展抗力增加22%。当材料性能和平均晶粒尺寸一定时，不同的晶粒形貌，裂纹扩展尖端的J积分和撕裂模量也不同，J积分的差值可达1个数量级，撕裂模量的差值约在15%。断面显示出多仿射变换：裂纹扩展方向与加载方向垂直时，赫斯特指数小于0.5，裂纹曲折扩展；裂纹扩展方向与加载方向一致时，赫斯特指数大于0.5；开裂面接近于平面时，赫斯特指数等于0或1。对裂纹扩展尖端处J积分值影响最大的是与晶界α层最近的初始开裂面的垂直偏移距离，而对撕裂模量值影响最大的是裂纹到达晶界时裂纹路径与开裂面的角度。（晓红）


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