钛合金具有强度高、密度低、抗腐蚀能力强和力学性能好等特点,被广泛应用于航空航天、机械制造、海洋船舶、医疗器械等领域。在实际服役环境中,钛合金构件往往需要承受疲劳、拉剪组合、腐蚀、高温等复杂载荷作用,材料局部细微损伤累积导致的裂纹萌生及扩展是钛合金构件发生失效破坏的主要原因,钛合金强度和寿命的离散性严重影响了构件的安全性和服役可靠性,也限制了钛合金在工程中的更广泛应用。本文围绕钛合金的损伤失效问题,开展钛合金在不同应力状态下的变形及微观损伤机制研究,对深入认识钛合金的损伤演化及失效规律具有重要的科学意义。为研究钛合金在不同应力状态下的损伤破坏过程,本文设计了单轴拉伸、纯剪切、缺口拉伸等具有不同初始应力三轴度的试件,利用数字图像相关方法研究钛合金的变形及损伤失效规律。通过实验应变场分析,得到了应变在横向和纵向上的分布特征,提出了一种描述钛合金变形局部化程度的LR方法,并给出了所提参数随加载过程的变化规律。将LR法得到的断裂应变与试件断口分析相比较,实验表明,LR法可有效表征钛合金应变局部化过程和不同载荷工况下钛合金的断裂应变。本文基于原位加载扫描电镜开展了 TC4钛合金在纯剪切和拉伸载荷作用下的微观损伤实验研究。实验发现,在加载过程中钛合金的局部微区内形成了多条与加载方向呈约45°的局部化应变带,通过表观应变场的统计分析,利用应变较大点的平均值表征了钛合金局部微区内应变局部化的演化规律。拉伸试件断口上存在大量韧窝,表明材料内部微孔洞的形核、生长及汇聚促使裂纹萌生,裂纹的扩展最终导致了拉伸试件的失效破坏。剪切试件断口的中间部位存在少量等轴韧窝,其他区域主要形成沿剪切方向的剪切韧窝区以及相对光滑的滑移区,剪切滑移是剪切试件损伤失效的主要机制。针对钛合金的变形及损伤特征,本文在钛合金本构理论模型和微观损伤机理的分析基础上,提出了描述钛合金本构关系的分段组合模型,利用实验数据与有限元相结合的方法,反演识别了 GTN损伤模型的主要参数,模拟了钛合金材料的变形破坏过程。数值模拟与拉伸实验结果的对比分析表明,所提模型能够有效模拟钛合金的变形及损伤失效行为。