最近的飛機(jī)部件出現(xiàn)故障突出表明，在理解和預(yù)測(cè)鈦合金在循環(huán)加載下的行為方面仍存在一定不足。盡管幾十年來(lái)對(duì)疲勞裂紋的形成機(jī)制進(jìn)行了大量研究，但疲勞裂紋形核與微觀組織之間的關(guān)系尚不明確。這在一定程度上與通過(guò)不同的熱機(jī)械加工途徑獲得的鈦合金成分和顯微組織的變化有關(guān)，也與試驗(yàn)條件有關(guān)。例如，在雙態(tài)顯微結(jié)構(gòu)中，裂紋是在初生α區(qū)或轉(zhuǎn)變β區(qū)中形核是存在爭(zhēng)議的。這主要是由于初生α區(qū)和次生α區(qū)之間的元素分配造成。普遍認(rèn)為初始面形成是滑移激活的結(jié)果。雖然基面滑移通常被認(rèn)為是不同α+β合金疲勞裂紋形成的初步階段，但裂紋很少在棱柱狀滑移帶上形核。最近研究表明，在低周疲勞和居住疲勞載荷下，在(0001)扭曲邊界處形成裂紋，然而裂紋的形成過(guò)程，與其他合金和顯微組織的相關(guān)性以及初始裂紋是否位于這些顯微組織構(gòu)型中尚不明確。

法國(guó)普瓦提埃大學(xué)的研究人員闡明了三種廣泛應(yīng)用的鈦合金在不同組織和載荷條件下的裂紋萌生過(guò)程。利用低周疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的裂紋形成機(jī)制，主要包括(0001)扭轉(zhuǎn)界面處的應(yīng)變局部化。相關(guān)論文以題為“Strain localization and fatigue crack formation at (0001) twist boundaries in titanium alloys”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117227

本文采用的Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(Ti-6242)和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo(Ti-6246)合金，在750℃退火，在593℃進(jìn)行8h時(shí)效處理。Ti-6242和Ti-6426在殘余β基體內(nèi)呈現(xiàn)等軸α和雙片層α組成的三重組織。Ti-6Al-4V(Ti-64BM)經(jīng)處理后呈的雙相組織由初生α晶粒和轉(zhuǎn)變β區(qū)組成，其中片層狀α嵌在殘余β相中。

研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于所有的合金、組織和加載條件，都觀察到相似的裂紋形成機(jī)制。對(duì)成分和微觀結(jié)構(gòu)差異(包括晶粒尺寸、微觀結(jié)構(gòu)程度和β分?jǐn)?shù))的不敏感性表明了目前研究結(jié)果的廣泛相關(guān)性。早期裂紋在(0001)扭轉(zhuǎn)界面處形成，裂紋沿著界面發(fā)展很快，與周圍區(qū)域的一些塑性活動(dòng)有關(guān)。為了形成潛在的裂紋起始點(diǎn)，扭轉(zhuǎn)界面必須經(jīng)歷剪應(yīng)力和高正應(yīng)力。沿(0001)扭曲界面的局部剪切先于裂紋的形成，剪切沿α/α晶界進(jìn)行，與大多數(shù)滑移相比，應(yīng)變局部化發(fā)生在低應(yīng)力下。

圖1 不同鈦合金的背散射電子顯微圖、晶粒取向和拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2 (0001)扭轉(zhuǎn)界面和{101}扭曲晶界附近的晶粒取向

圖3 裂紋周圍的微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)晶方向的TEM和反極圖

圖4 不同合金的裂紋亮場(chǎng)TSEM圖

本文研究了幾種不同顯微組織鈦合金低周疲勞裂紋的形成機(jī)理。為了揭示裂紋形成的過(guò)程，對(duì)潛在裂紋起始點(diǎn)的變形進(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn){101}扭轉(zhuǎn)界面容易出現(xiàn)滑移局部化，并可能在循環(huán)過(guò)程后期形成裂紋。與應(yīng)變局部化和裂紋形成相關(guān)界面的重要特征包括滑移面與界面的平行度和涉及該滑移面的滑移系統(tǒng)上的高分辨剪應(yīng)力。本文為研究鈦合金裂紋形成機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。