张文娟, 杨 帆, 陈超鹏
(西安航空职业技术学院, 陕西 西安710089)
摘 要：为了获得钛合金微结构组织不均匀性对氢扩散以及力学性能的影响，建立多晶体微结构模型，运用Voronoi图剖分原理生成随机晶粒，分析加载载荷晶粒取向、晶粒大小和材料属性对微结构力学性能和氢扩散的影响。结果表明：载荷对氢扩散有促进作用，对应力集中无影响；晶体取向是微结构应力分布不均的主要原因，晶粒尺寸越大应力集中越严重；相同载荷下，β钛合金比α钛合金的应力集中更明显，且氢容易在β钛合金中富集。
关键词：钛合金; 微结构; 应力集中; 氢扩散
文中主要图表
（序号为文中序号）
图1 多晶体微结构几何模型
表1 β钛合金的立方弹性常数 GPa
图2 晶体取向的局部直角坐标系表示法
图3 边界条件
图4 网格划分
图5 不同载荷下的应力云图
图6 不同载荷下的氢浓度云图
图7 3次随机取向条件下的Mises应力分布云图
图8 3次随机取向条件下的氢浓度分布云图
图9 不同晶粒数目的多晶体微结构模型
图10 不同晶粒数目下的Mises应力云图
图11 不同晶粒数目下的氢浓度云图
表2 α钛合金的立方弹性常数 GPa
图12 不同材料属性下Mises应力云图
图13 不同材料属性下的氢浓度云图
结 论
（1）在不同的加载载荷下，微结构中的应力分布状态和氢浓度分布状态基本一致，随着载荷的增加，微结构中的Mises应力最大值和氢浓度最大值逐渐增加，但微结构中的应力集中系数没有发生变化，说明加载载荷对微结构的应力集中没有影响。
（2）每改变一次晶体取向，微结构中的Mises应力分布状态就发生一次变化，且应力集中系数也发生了变化，说明晶体取向是微结构应力分布不均的主要原因。且每改变一次晶体取向，微结构中的氢浓度分布状态就发生一次变化。
（3）晶粒尺寸越大，微结构中的Mises应力值越大，且应力集中越严重，但对微结构中氢浓度最大值基本没有影响，因此细化晶粒可有效降低微结构的应力集中现象。
（4）β钛合金和α钛合金微结构的应力分布状态和氢浓度分布状态基本一致。β钛合金微结构中的最大Mises应力值和应力集中系数均高于α钛合金的，且β钛合金微结构中的最大氢浓度值也高于α钛合金的。因此β钛合金比α钛合金更容易发生因应力集中而导致的材料断裂失效问题和因局部区域氢浓度上升而发生的氢致开裂现象。
