Acta Mater.: 采用耦合化學(xué)-力學(xué)相場模擬鋁合金中氫控制的裂紋擴(kuò)展動(dòng)力學(xué)

7xxx系列鋁合金由于其高強(qiáng)度和耐腐蝕性被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但其在潮濕環(huán)境中易發(fā)生環(huán)境輔助開裂（Environmentally Assisted Cracking, EAC），嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全。EAC 涉及裂紋氫的生成、擴(kuò)散、捕獲與晶間裂紋擴(kuò)展的耦合作用，需多物理場建模揭示其速率控制機(jī)制。然而，目前仍缺乏晶粒尺度下能準(zhǔn)確描述氫輔助斷裂的物理模型。

基于上述問題，英國曼徹斯特大學(xué)材料系的C. Grant等人基于唯象晶體塑性本構(gòu)模型，通過在損傷相場中自由能模塊額外考慮化學(xué)能的貢獻(xiàn)，并在變形梯度彈塑性乘法分解中引入溶質(zhì)失配誘導(dǎo)的局部變形梯度，實(shí)現(xiàn)了將氫誘導(dǎo)的斷裂與晶體塑性的耦合。氫擴(kuò)散方程中考慮了氫濃度梯度和通過第二Piola應(yīng)力導(dǎo)出的球應(yīng)力梯度對擴(kuò)散的貢獻(xiàn)，并引入氫源，便于捕捉氫濃度在裂尖集中的現(xiàn)象。在氫的捕獲中，分別考慮基體、位錯(cuò)核和晶界三種區(qū)域的化學(xué)勢貢獻(xiàn)，通過氫對臨界能量釋放率的折減體現(xiàn)其對材料抗斷裂性能的削弱作用。

圖1 通過EBSD構(gòu)建的預(yù)置裂紋的準(zhǔn)二維多晶RVE

圖2 (a) 裂紋擴(kuò)展路徑；(b) 拉伸應(yīng)力；(c) 塑性滑移；(d) 總氫濃度分布；(e) 晶界處氫濃度分布

圖3 隨裂紋擴(kuò)展，拉伸方向應(yīng)力、氫濃度及塑性滑移量的分布

圖3 第一列給出了205s到295s時(shí)間步下的裂紋演化，可以看到裂紋表現(xiàn)出了較為明顯的沿晶擴(kuò)展現(xiàn)象，并且在晶界較為平緩的區(qū)域，裂紋擴(kuò)展速率較快。并且由第四列可以看到，塑性滑移的分布與裂紋分布較為吻合，且表現(xiàn)出了韌性斷裂裂尖鈍化的特征。氫濃度的分布也由于裂尖應(yīng)力集中而在裂尖匯聚，且由于裂紋擴(kuò)展速率導(dǎo)致的內(nèi)部氫源產(chǎn)生速率的不同，氫的演化也隨之改變。

相關(guān)成果以“Simulating hydrogen-controlled crack growth kinetics in Al-alloys using a coupled chemo-mechanical phase-field damage model"為題發(fā)表在“Acta Materialia "(Volume 284, 2025) 上，論文第一作者和通訊作者為C. Grant。