Acta Mater.: 采用耦合化學-力學相場模擬鋁合金中氫控製的裂紋擴展動力學

7xxx係列鋁合金由於(yu) 其高強度和耐腐蝕性被廣泛應用於(yu) 航空航天領域，但其在潮濕環境中易發生環境輔助開裂（Environmentally Assisted Cracking, EAC），嚴(yan) 重威脅結構安全。EAC 涉及裂紋氫的生成、擴散、捕獲與(yu) 晶間裂紋擴展的耦合作用，需多物理場建模揭示其速率控製機製。然而，目前仍缺乏晶粒尺度下能準確描述氫輔助斷裂的物理模型。

基於(yu) 上述問題，英國曼徹斯特大學材料係的C. Grant等人基於(yu) 唯象晶體(ti) 塑性本構模型，通過在損傷(shang) 相場中自由能模塊額外考慮化學能的貢獻，並在變形梯度彈塑性乘法分解中引入溶質失配誘導的局部變形梯度，實現了將氫誘導的斷裂與(yu) 晶體(ti) 塑性的耦合。氫擴散方程中考慮了氫濃度梯度和通過第二Piola應力導出的球應力梯度對擴散的貢獻，並引入氫源，便於(yu) 捕捉氫濃度在裂尖集中的現象。在氫的捕獲中，分別考慮基體(ti) 、位錯核和晶界三種區域的化學勢貢獻，通過氫對臨(lin) 界能量釋放率的折減體(ti) 現其對材料抗斷裂性能的削弱作用。

圖1 通過EBSD構建的預置裂紋的準二維多晶RVE

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

圖3 隨裂紋擴展，拉伸方向應力、氫濃度及塑性滑移量的分布

圖3 第一列給出了205s到295s時間步下的裂紋演化，可以看到裂紋表現出了較為(wei) 明顯的沿晶擴展現象，並且在晶界較為(wei) 平緩的區域，裂紋擴展速率較快。並且由第四列可以看到，塑性滑移的分布與(yu) 裂紋分布較為(wei) 吻合，且表現出了韌性斷裂裂尖鈍化的特征。氫濃度的分布也由於(yu) 裂尖應力集中而在裂尖匯聚，且由於(yu) 裂紋擴展速率導致的內(nei) 部氫源產(chan) 生速率的不同，氫的演化也隨之改變。

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