導(dǎo)讀：不同顯微組織成分在兩相鈦合金裂紋萌生中的作用仍然是一個有很大爭議的領(lǐng)域。本文研究了近α鈦合金中初生α體積分?jǐn)?shù)和伴隨宏觀區(qū)對兩種不同疲勞裂紋萌生模式的影響。在準(zhǔn)原位研究中，通過中斷疲勞試驗(yàn)監(jiān)測具有統(tǒng)計(jì)代表性的區(qū)域，以檢測導(dǎo)致裂紋萌生的滑移痕跡形成。此外，還生成了高分辨率的二維應(yīng)變圖，以量化與微觀結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的滑移軌跡的面內(nèi)剪切應(yīng)變。詳細(xì)分析表明，在驗(yàn)證應(yīng)力達(dá)到90%時(shí)，無論裂紋是穿晶開裂還是晶間開裂，基底滑移對裂紋萌生起著至關(guān)重要的作用。隨著αp/αp晶界數(shù)量的增加，αp分?jǐn)?shù)的增加，裂紋萌生由穿晶向沿晶轉(zhuǎn)變。高分辨率二維應(yīng)變映射表明，這些晶間裂紋是由從(0001)扭轉(zhuǎn)晶界開始的基礎(chǔ)滑移爆發(fā)引起的，但在部分(0001)扭轉(zhuǎn)晶界的情況下，滑移會穿透晶對的一側(cè)。在此基礎(chǔ)上，提出了基于幾何晶界參數(shù)和相鄰αp晶粒對在基底滑移中排列良好的偏好的晶間裂紋判據(jù)。結(jié)果表明，(0001)扭轉(zhuǎn)晶界隨著αp分?jǐn)?shù)的增加而增加，而宏觀區(qū)并沒有進(jìn)一步提高其頻率。然而，硬取向晶粒的宏觀區(qū)確實(shí)促進(jìn)了穿晶裂紋的形成，可能會增加局部應(yīng)力，并增加了低取向的αp晶粒的滑移長度，從而降低了對面外剪切的要求。

多晶金屬材料疲勞裂紋起裂預(yù)測仍然是一個重大挑戰(zhàn)，這與裂紋起裂過程對微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的固有敏感性有關(guān)。對兩相鈦合金進(jìn)行熱機(jī)械加工可以產(chǎn)生多種不同的顯微組織，其中α相可以是完全片層狀(α片層嵌在β晶粒中)、雙峰狀(相對細(xì)小的板條結(jié)構(gòu)，稱為次生α (αs)，不同取向嵌在β相+等軸α，稱為初級α (αp))或完全等軸狀(β相主要位于三點(diǎn))，從而產(chǎn)生一系列的力學(xué)性能。因此，為了了解兩相鈦合金的疲勞行為與微觀組織類型、αp的體積分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸、αs片層厚度和αs集落尺寸等參數(shù)的關(guān)系，人們進(jìn)行了大量的研究，這并不奇怪。當(dāng)考慮雙峰或全等軸組織時(shí)，αp體積分?jǐn)?shù)的增加會降低近α和α+β鈦合金的疲勞強(qiáng)度。然而，大多數(shù)研究都集中在裂紋擴(kuò)展行為對這一微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的響應(yīng)上，而對裂紋起裂的關(guān)注較少。Dowsen等人的早期研究表明，TIMETAL®834合金(一種溫度可達(dá)600°C的近α鈦合金)的裂紋萌生特性對αp體積分?jǐn)?shù)變化高達(dá)25%不敏感，盡管αp晶粒內(nèi)部更容易萌生裂紋。然而，Evans等人的研究表明，αp體積分?jǐn)?shù)分別為50%和80%的雙峰ti - 6al - 4v和Ti550合金，αp體積分?jǐn)?shù)會影響織構(gòu)對疲勞行為的影響。不同研究得出的不同結(jié)論可能是由于αp體積分?jǐn)?shù)的范圍和所研究的不同疲勞加載方式所致。

本研究旨在從微觀力學(xué)的角度系統(tǒng)地評估αp體積分?jǐn)?shù)對近α ti合金(TIMETAL®834)疲勞裂紋萌生的影響。采用多尺度顯微技術(shù)對αp體積分?jǐn)?shù)為25%、50%和100%的材料和不同水平的宏觀區(qū)進(jìn)行了研究。利用掃描電鏡(SEM)和電子背散射衍射(EBSD)對裂紋周圍的大面積區(qū)域進(jìn)行覆蓋，基于兩種不同的裂紋起裂準(zhǔn)則對穿晶和沿晶裂紋的存在進(jìn)行了研究。為了進(jìn)一步揭示滑移帶尺度下的非均勻應(yīng)變場與裂紋萌生之間的關(guān)系，采用了不同的成像技術(shù)，以準(zhǔn)原位的方式監(jiān)測滑移痕跡的形成和相關(guān)裂紋的形成。采用高分辨率數(shù)字圖像相關(guān)(HR-DIC)對SEM圖像進(jìn)行定量分析，以確定中斷疲勞試驗(yàn)的面內(nèi)剪切應(yīng)變。此外，利用具有超高分辨率EDS功能的(掃描)透射電子顯微鏡(S)TEM)繪制了扭轉(zhuǎn)晶界。這些觀察結(jié)果是在作者先前的研究中提出的雙峰TIMETAL®834中兩種不同的裂紋起裂機(jī)制的背景下討論的。提出了一種改進(jìn)的兩相鈦合金跨晶和晶間裂紋萌生機(jī)理模型，并對不同組織的裂紋萌生部位進(jìn)行了預(yù)測。

英國曼徹斯特大學(xué)Michael Preuss 教授團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究成果以題為Microstructural effects on fatigue crack initiation mechanisms in a near-alpha titanium alloy發(fā)表在國際期刊Acta Materialia上。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423002884

圖1.光學(xué)顯微圖顯示(a) S-25， (b) S-50和(c) S-100的TIMETAL®834的顯微結(jié)構(gòu)。

圖2.(a) S-25、(b) S-50和(c) S-100中αp表觀晶粒尺寸直方圖，用等效直徑表示，描述了αp晶粒在基底< a >滑移、晶間裂紋和穿晶裂紋的分布。

圖3.(a)(e) BSE圖像，(b)(e)光學(xué)顯微照片，(c)(g)裂紋起裂后EBSD IPF圖，(d)(h) F S-25和S-50中代表性穿晶裂紋參數(shù)圖。

圖4.在(a) S-25、(b) S-50和(c) S-100中，隨機(jī)織構(gòu)的αp晶粒經(jīng)6000次循環(huán)、穿晶裂紋(黑色)和晶間裂紋(藍(lán)色)后的晶體取向(紅色)。晶體取向是相對于拉伸軸的。

圖5.(a)(e)(i) BSE圖像，(b)(f)(j)光學(xué)顯微照片，(c)(g)(k)裂紋起裂后IPF取向圖，(d)(h)(l) S-25、S-50和S-100中代表性晶間裂紋參數(shù)圖。

圖6.取向偏差角直方圖顯示在所有晶間裂紋位置都存在扭轉(zhuǎn)晶界。

圖7. (a)裂紋萌生前的BSE圖像，(b)裂紋萌生后的BSE圖像，(c)變形前的EBSD IPF圖，(d) S-25晶間裂紋區(qū)域的G參數(shù)圖，可以看出強(qiáng)烈的滑移帶并不完全沿著扭轉(zhuǎn)晶界，而是略微偏移。

圖10. (a) G參數(shù)中三個特定角度和(b) a(0001)扭轉(zhuǎn)晶界示意圖

圖11.(a) (d) G參數(shù)圖，(b) (e)光學(xué)顯微圖，(c) (f) S-25和S-50出現(xiàn)晶間裂紋區(qū)域的BSE圖像，顯示了扭轉(zhuǎn)晶界的分布及其與晶間裂紋存在的相關(guān)性;(g) g參數(shù)圖顯示S-100的扭轉(zhuǎn)晶界分布，高倍視圖用黑框表示，顯示兩個已識別的扭轉(zhuǎn)晶界A和B，其中基滑移施密德因子小于0.25的晶界用淺灰色表示;(h)光學(xué)顯微圖顯示與(g)相同的區(qū)域和a處存在晶間裂紋。注意，在扭轉(zhuǎn)晶界B處沒有出現(xiàn)晶間裂紋，在那里相鄰的晶粒對在基底< a >滑移中沒有很好的取向。(i)同一區(qū)域的F參數(shù)圖，顯示了未觀察到的穿晶裂紋的潛在起始點(diǎn)。

圖12. (a)光學(xué)顯微圖，(b) EBSD IPF圖，(c) F參數(shù)圖，

(d) S-50微織構(gòu)區(qū)始生穿晶裂紋的最大基底< a > Schmid因子圖。注意，(c) - (e)中僅繪制了基底< a >滑移剪切的αp晶粒。

圖13.(a) 100次循環(huán)，(b) 1000次循環(huán)，(c) 10,000次循環(huán)和(d) 25,000次循環(huán)后，BSE顯微圖顯示S-50中微織構(gòu)區(qū)域的穿晶裂紋的發(fā)展;(e)和(f)為(c)的放大區(qū)域。

總而言之，本文采用準(zhǔn)原位光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡相結(jié)合的HR-DIC分析方法，系統(tǒng)地研究了αp體積分?jǐn)?shù)和宏觀區(qū)對近α TIMETAL®834合金疲勞裂紋萌生的影響。此外，還進(jìn)行了一些詳細(xì)的STEM分析，以提供有關(guān)(0001)扭轉(zhuǎn)晶界的更多信息?；趦煞N疲勞裂紋起裂準(zhǔn)則，定量評價(jià)了與穿晶和沿晶裂紋有關(guān)的一些臨界滑移特征和晶界形態(tài)。 

在所有組織中，沿晶裂紋萌生都先于穿晶裂紋萌生，αp體積分?jǐn)?shù)的增加和αp晶粒尺寸的增大導(dǎo)致兩類裂紋萌生壽命的降低。此外，αp體積分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致αp晶粒對(0001)扭轉(zhuǎn)晶界處晶間裂紋的顯著增加。這是由于αp/αp晶界數(shù)量的增加，提高了扭轉(zhuǎn)晶界出現(xiàn)的概率，以及穿晶和沿晶裂紋的起裂機(jī)制競爭關(guān)系所致。然而，微織構(gòu)區(qū)沒有顯示出更高頻率的(0001)扭轉(zhuǎn)晶界，盡管α晶粒的排列更接近。    

對于平行于αp晶基滑移軌跡的穿晶裂紋，作者最近提出的包含單個晶的三個滑移特征的疲勞裂紋起裂參數(shù)(F參數(shù))，在α織構(gòu)相當(dāng)隨機(jī)的情況下，可以作為預(yù)測裂紋起裂位置的有效工具，而不考慮αp體積分?jǐn)?shù)。

確定了微觀結(jié)構(gòu)特征對F參數(shù)有效性的影響:αp體積分?jǐn)?shù)的增加和伴隨的宏觀區(qū)的存在降低了F參數(shù)預(yù)測穿晶裂紋形成的可靠性。考慮(0001)扭轉(zhuǎn)晶界的判據(jù)，通過提出的幾何晶界參數(shù)(G參數(shù))和相鄰αp晶粒對基底< a >滑移的偏好來評估，可以有效地預(yù)測裂紋萌生的脆弱部位，而不考慮αp體積分?jǐn)?shù)和微織構(gòu)區(qū)域的影響。