準確預測金屬材料微觀尺度疲勞裂紋及其服役壽命目前仍然是工程領域一大挑戰。由于經驗模型缺乏對微觀機制的理解，材料工程師往往通過過度設計有效保證關鍵零部件全生命周期的服役性能。裂紋預測的挑戰性一方面來源于裂紋萌生過程與微觀組織固有的敏感性。雙相鈦合金通過調控熱機械加工工藝參數可獲得一系列微觀組織類型（等軸組織、雙態組織、網籃組織和魏氏組織）以及多種相形態特征（初生α相、二次α相和時效α相）。盡管大量文獻數據已經表明，提高等軸組織和雙態組織中初生α相含量會嚴重降低材料疲勞壽命，但仍缺乏對裂紋萌生過程機制的理解。此外，實現疲勞裂紋的有效預測需要依靠多尺度、多手段的材料表征技術協同分析。理論上，高周疲勞過程的局部塑形滑移變形會誘發裂紋萌生，但在納米尺度量化局部應變累積過程仍然非常困難。如何將高周疲勞過程的局部應變信息、晶粒取向信息、局部晶粒轉動程度和滑移位錯信息與晶界等潛在的材料失效位置緊密結合是裂紋預測的另一大挑戰。

近日，來自英國曼徹斯特大學國家先進材料研究創新中心（Henry Royce Institute）的博士后研究員劉璁慧博士以論文第一作者在材料領域頂級期刊《Acta Materialia》發表了題為“Microstructural effects on fatigue crack initiation mechanisms in a near-alpha titanium alloy”的系列報道。其他合作作者為來自曼徹斯特大學和蒙納士大學的徐徐博士、孫天竺博士、Rhys Thomas博士、Jo-o Quinta da Fonseca教授和Michael Preuss教授。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118957

該論文基于作者此前（論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117967）提出的同時存在于TIMETAL-834鈦合金中兩種不同疲勞裂紋萌生機制的研究背景，進一步闡明了鈦合金多種關鍵微觀組織特征對裂紋萌生機制的影響，提出了更加精確的雙相鈦合金裂紋預測模型。該研究利用高分辨數字圖像相關技術（HR-DIC）、超高分辨率的透射電子顯微鏡（（S）TEM）等多尺度材料表征技術，并結合準原位疲勞變形加載，發現沿晶裂紋與一種特殊的（0001）扭轉晶界有關。盡管扭轉晶界與基面滑移只有部分平行，卻能夠提供足夠的局部應變，誘導疲勞裂紋萌生。

本研究首次揭示了鈦合金中兩種裂紋萌生類型間存在的競爭機制及其對裂紋萌生行為的作用機制：隨著雙態組織中初生α相體積分數的增加，初生α相－初生α相的晶界數量增加，裂紋萌生類型和數量由穿晶向沿晶轉變。此外，在相同初生α相體積分數狀態下，盡管軟取向局部織構會促進穿晶裂紋的萌生，但并沒有增加沿晶裂紋萌生的發生頻率。該項目獲得了多項英國工程與自然科學基金（EPSRC）和曼徹斯特大學校長獎學金資助。

圖1 光學顯微鏡下TIMETAL-834的三種顯微結構。

圖2沿晶裂紋萌生區域的微觀結構和裂紋萌生預測因子G的有效性。

圖3滑移激活晶粒和裂紋萌生晶粒的晶粒取向分布圖。

圖4穿晶裂紋萌生區域的微觀結構和裂紋萌生預測因子G的有效性。

圖5扭轉晶界處不同疲勞循環次數的局部應變累積過程。

圖6（0001）扭轉晶界示意圖。

圖7 預測因子G在鈦合金多種顯微組織狀態下的適用性以及兩種裂紋類型的競爭機制。

圖8微觀織構對穿晶裂紋預測因子F準確性的影響。

圖9微觀織構對沿晶裂紋預測因子G 準確性的影響。

圖10 α和β穩定元素在（0001）扭轉晶界處的偏聚分析。

本文研究了雙態組織近α鈦合金中影響兩種不同疲勞裂紋萌生機制的關鍵微觀結構因素，并實現了兩種不同類型裂紋萌生的量化預測以及預測因子在多種微觀組織狀態下的適用性。這為準確預測疲勞壽命、優化鈦合金熱加工工藝參數、延長發動機葉片服役周期提供了重要理論依據。