編輯推薦：通過建立缺陷發展與組織演變之間的聯系，研究了晶粒尺寸對純鈦板韌脆斷裂行為的影響。試樣破壞過程中觀察到孿晶碎裂和由孿晶誘導的動態再結晶(TDRX)形成的細小動態再結晶晶粒（DRXed）。孔洞的形核是由于DRXed晶粒之間存在較大的取向差所致。與此同時，TDRX區域進一步擴大，同時伴隨著空洞的增長。隨著晶粒尺寸的增大，TDRX現象逐漸消失。因此，解理裂紋在長晶晶格旋轉后擴展，在粗晶試樣中表現為脆性的穿晶斷裂。

鈦及其合金具有比強度高、耐腐蝕好等獨特優勢。當試樣幾何尺寸接近材料的本征晶粒尺寸時，微零件的變形和斷裂行為表現出強烈的晶粒尺寸依賴性。考慮到提高微細鈦合金制品制造可靠性的要求，研究晶粒尺寸依賴性顯微組織對斷裂機理的影響是必不可少的。鈦合金在宏觀上通常以明顯的韌性斷裂方式失效。在大多數研究中，缺陷主要是通過斷口形貌表征來確定。然而確定不同斷裂特征下鈦合金斷裂機理的微觀組織演變規律至關重要。不同晶粒尺寸鈦板中與韌脆性斷裂行為所對應的詳細缺陷演變暫無詳細的研究，韌性-脆性斷裂與不同微觀結構之間的聯系尚未得到徹底研究。需要對缺陷發展和晶體學微觀結構演變進行系統研究。

上海交通大學研究者采用同步輻射X-CT聯合電子背散射衍射（EBSD）技術研究了純鈦板晶粒尺寸依賴性斷裂行為。相關論文以題為“Grain-size-dependent ductile-to-brittle fracture mechanism of titanium sheets”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114877

圖1(a)CP-Ti試樣的拉伸真應力-應變曲線。(b)抗拉強度和伸長率。(c)鈦片斷口SEM圖。(d)拉伸試樣在不同局部應變下內部損傷缺陷的三維重建。

隨著拉伸變形量的增加，變形局部化發生在縮頸區域，同時，缺陷數量和體積增加。隨后，局部出現斷裂的試樣中，缺陷密度和體積增加更快。在圖2(a, b)中可以觀察到缺陷數量和體積的加速增加。

圖2試樣中隨局部拉伸應變增加時缺陷的 (a)密度，(b)平均體積，(c)球度值，(d)體積分數的演化。(e)不同晶粒尺寸的CP-Ti試樣中典型缺陷的幾何形狀變化。

這一現象符合典型的韌性斷裂行為。缺陷體積分數的加速是由相鄰空洞的合并引起的。當晶粒尺寸增加到104μm時，缺陷體積分數以相似的速度增加，直至發生宏觀斷裂，這是由于裂紋沿特定解理方向快速擴展所致。

圖3 (a)晶粒尺寸為27 μm的試樣隨局部應變增大的微觀組織演變。(b)試樣經局部1.36應變后，空洞形核周圍的反極圖(IPF)圖和(c)微觀組織{0001}極圖。(d)圖3(b-ii)中孔洞附近晶粒沿原點θ順時針方向的取向偏差變化。(e)拉伸試樣孔洞并聚周圍顯微組織的KAM圖。

變形過程中孿晶片碎片產生的小角晶界（LAGB）進一步促進了細亞晶粒的形成。此外，大角度晶界(HAGB)是由變形過程中LAGB的定向堆積形成的，最終發現小的等軸DXRed顆粒占據了原始顆粒。這一演變的本質是孿生誘導的動態再結晶(TDRX)。

圖4拉伸變形過程中受TDRX過程影響的韌脆性斷裂行為示意圖。(a)隨著晶粒尺寸的增大，位錯累積密度降低，導致孿晶界應力集中減少。(b)隨著晶粒尺寸的增大，TDRX現象消失。(c)隨著晶粒尺寸的增大，試樣的斷裂表現為韌-脆性斷裂。

晶粒尺寸為27μm的試樣由于位錯滑移活動強烈，隨著變形量的增加，堆積位錯引起的應力集中達到孿晶強度。因此，孿晶片層發生破碎，并進一步演變為多個晶粒取向相似的亞晶粒。在此之后，許多LAGB通過定向錯誤積累變成HAGB，導致LAGB的比例下降。TDRX處理后，隨著應變的增加，這些DRXed晶粒的晶格旋轉占主導地位，有助于提高延性。孔洞傾向于在DRXed晶粒之間成核，其取向差較大。隨著塑性變形的繼續，產生的孔洞以典型的韌性斷裂方式增長，具有較高的球度。隨著晶粒尺寸的增大，TDRX現象變得不明顯，導致DRXed晶粒減少。結果表明，裂紋在晶界處萌生，而不是在DRXed晶粒之間形成空洞。當微裂紋啟動后，脆性穿晶裂紋沿解理方向快速擴展。

綜上所述，本文研究了鈦板的缺陷和微觀組織演變，以揭示韌脆性斷裂行為的晶粒尺寸依賴性。X-CT實驗表明，隨著晶粒尺寸的增大，缺陷由細小的空洞發展為較大的孤立裂紋。基于EBSD分析，韌脆性斷裂轉變是由于隨著晶粒尺寸增大TDRX現象消失所致。晶粒尺寸對鈦板成形性能的影響機理表明，可以通過調整最佳晶粒尺寸范圍的微觀組織來設計鈦板的成形性能。