近α型鈦合金因其高比強度、良好耐沖擊性能和耐腐蝕性，其廣泛應用與航空航海領域。其中海洋環境下由于其復雜的服役工況，對鈦合金性能提出了更高的要求，尤其是保載疲勞性能。所謂保載疲勞性能是一種在峰值應力處保載一段時間的特殊疲勞形式，其會顯著惡化材料的服役壽命。作為占據主要疲勞壽命的裂紋萌生階段，其因為保載疲勞變形的復雜性，往往存在多種裂紋萌生模式。其中（0001）扭轉晶界開裂作為近年來被廣泛發現于近α鈦合金中的裂紋萌生模式，目前尚未有系統研究揭示其具體的顯微機理。因此本文的研究便著眼于該裂紋萌生模式，根據試驗和模擬結果，建立了可信的(0001)扭轉晶界開裂機理模型。

研究發現，裂紋源刻面更易在初生α相(0001)基面上形成。通過開展準原位試驗，進一步明確了主要的微裂紋萌生模式為(0001)扭轉晶界開裂模式，并且該模式與基面滑移變形的施密特因子及其方向緊密相關?；诹鸭y萌生特征，結合分子動力學模擬的結果，團隊建立了針對鈦合金室溫保載疲勞表面和亞表面 (0001) 扭轉晶界的全新裂紋萌生傾向判據，實現了對 (0001) 扭轉晶界開裂傾向的量化描述。這一成果為深入研究鈦合金保載疲勞微裂紋損傷行為以及改善其性能，提供了全新的思路和方法。相關研究成果以 “Crystallographic micro - mechanism of faceted crack initiation in near - α titanium alloy Ti6321 under room - temperature fatigue and dwell fatigue loadings” 為題，發表于 Journal of Materials Science & Technology 期刊。

本文的研究對象為Ti80合金，即Ti6321合金（Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo），所選取的組織狀態為軋制退火后獲得的雙態組織。試驗試樣包括了標準棒狀疲勞試樣用于壽命表征和斷口分析，以及板狀疲勞試樣用于準原位試驗的表面微裂紋萌生相關的研究。

圖 1 (a-c) 呈現的是保載時長分別為 1 秒、10 秒、30 秒的棒狀試樣（DF1、DF10、DF30）斷口刻裂紋源的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。從圖中可以看出，裂紋源由一系列光滑刻面構成，并且均處于試樣的表面或者亞表面。圖 1 (d-f) 展示的是借助聚焦離子束（FIB）微納加工技術獲取的這些刻面裂紋源晶粒的電子背散射衍射（EBSD）取向信息，圖 1 (g-h) 則展示了通過 FIB 微納加工得到的平面 SEM 圖。通過對刻面的法向方向與六方密堆積（HCP）晶體的c軸取向進行計算，能夠得知裂紋源刻面均與(0001)基面平行，并且都具備較高的基面滑移施密特因子。這證明刻面的形成與基面<a>滑移變形息息相關。

圖1. 不同條件下疲勞斷口SEM照片與FIB加工刻面的EBSD-IPF圖

圖 2 (a-f)展示的是在準原位試驗板狀試樣中，保載 1 秒、30 秒、120 秒且疲勞達到 1000 周次時觀察到的一種特殊裂紋，即(0001)扭轉晶界裂紋。這里所說的(0001)扭轉晶界裂紋，是指裂紋形成于一對相鄰 α 晶粒的晶界上，這一對晶粒圍繞 HCP 的 c 軸旋轉特定角度 ω。經統計發現，(0001)扭轉晶界開裂模式是最為主要的微裂紋萌生模式，不僅在樣品表面能夠大量觀察到，如圖 2 (a-d) 所示，在樣品亞表面同樣存在，如圖 2 (e-f)所示。

圖2. (0001)扭轉晶界裂紋SEM以及EBSD-IPF圖，其中(a-d)為表面裂紋，(e-f)為亞表面裂紋

圖 3 展示了表面(0001)扭轉晶界裂紋的原子力顯微鏡（AFM）表征結果。從AFM測定的表面粗糙度特征分布圖（圖 3 (c, g)）可以看出，裂紋兩側分別形成了具有不同表面粗糙度的區域。如圖 3 (d-h) 所示，裂紋兩側形成了典型的凸出（extrusion）和凹入（intrusion）形貌，其最大高度達到了200納米。這種形貌是在交變疲勞載荷作用下，位錯的平面滑移作用于樣品表面而形成的，通常也被稱為“永久駐留帶（persistent slip band, PSB）”。研究指出，PSB的產生主要與基面滑移的伯氏矢量方向有關，具有高施密特因子且伯氏矢量方向朝向樣品表面時，有利于PSB的形成。而這種PSB的產生與(0001)扭轉晶界開裂有著直接的關聯。

圖3. 扭轉晶界裂紋AFM表征

為了深入揭示 PSB 形成致使表面(0001)扭轉晶界開裂的微觀機理，以及亞表面(0001)扭轉晶界開裂的機理，研究團隊開展了分子動力學模擬。分別構建了表面扭轉晶界模型（圖 4 (a)）和亞表面扭轉晶界模型（圖 4(b)），并采用如圖 4 (c) 所示的加載波形。

圖4. 表面模型和亞表面模型的分子動力學模型示意圖和加載波形示意圖

分子動力學模擬結果表明，對于表面和亞表面(0001)扭轉晶界而言，晶界附近兩側的原子會沿著不同方向發生不同程度的遷移。對于表面晶界，晶粒2晶界附近的原子主要沿著特定方向發生位移（圖 5 (d)）；而對于亞表面晶界，晶粒1和晶粒2晶界附近的原子則分別沿著不同方向發生遷移。這兩種情況都會使(0001)扭轉晶界上產生顯著的剪切應變，在剪切應力以及界面上法向拉應力的共同作用下，扭轉晶界面上發生原子脫粘，進而萌生裂紋源，最終導致(0001)扭轉晶界裂紋的形成。

圖5 原子位移取向分布極圖：(a-d)為表面(0001)扭轉晶界模型；(e-h) 為亞表面(0001)扭轉晶界模型

基于上述研究結果，分別給出了(0001)扭轉晶界開裂的晶體學判據。其中，表面扭轉晶界開裂判據為：C1=μ_basal?sinΩ，這里的μ_basal 是(0001)扭轉晶粒對的最大基面滑移施密特因子，Ω為基面滑移伯氏矢量方向與樣品表面的夾角（如圖 6 (e)所示）。亞表面扭轉晶界開裂判據為C2=μ_basal?cosθ，其中 θ 為HCP-c軸與應力方向的夾角。依據這兩類判據，能夠對給定組織中扭轉晶界的開裂難易程度進行定量評估，從而為判斷其微裂紋萌生傾向提供了一種行之有效的方法。

圖6. 保載疲勞(0001)扭轉晶界裂紋開裂晶體學判據：(a,b)為表面(0001)扭轉晶界裂紋C1判據；(c,d) 表亞面(0001)扭轉晶界裂紋C2判據