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

7xxx系列鋁合金由于其高強度和耐腐蝕性被廣泛應用于航空航天領域，但其在潮濕環境中易發生環境輔助開裂（Environmentally Assisted Cracking, EAC），嚴重威脅結構安全。EAC 涉及裂紋氫的生成、擴散、捕獲與晶間裂紋擴展的耦合作用，需多物理場建模揭示其速率控制機制。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。

基于上述問題，英國曼徹斯特大學材料系的C. Grant等人基于唯象晶體塑性本構模型，通過在損傷相場中自由能模塊額外考慮化學能的貢獻，并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晶體塑性的耦合。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，并引入氫源，便于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、位錯核和晶界三種區域的化學勢貢獻，通過氫對臨界能量釋放率的折減體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明顯的沿晶擴展現象，并且在晶界較為平緩的區域，裂紋擴展速率較快。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力集中而在裂尖匯聚，且由于裂紋擴展速率導致的內部氫源產生速率的不同，氫的演化也隨之改變。

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