鑽石舞台

準確預測金屬材料微觀尺度的疲勞裂紋仍然是工程領域一大挑戰，這主要源於裂紋萌生過程與微觀組織固有的敏感性。一種雙態組織的近a鈦合金TIMETAL®834因具有優異的高溫性能以及良好的室溫疲勞強度，已成功應用於航空發動機葉片。雙態組織中各組分的不均勻性在一定程度上增加了疲勞裂紋預測的難度。首先，有關裂紋的萌生位置仍然存在爭議，這是由於熱機械加工過程的元素偏析導致初生a相和次生a相強度不同。學者普遍認為塑形滑移是導致疲勞失效發生在初生a相中的主要原因，但是缺乏從滑移形成到裂紋萌生過程的理解。此外，不同滑移類型對應的裂紋萌生方式也有所不同，即使相同材料中因基面滑移所導致的裂紋萌生，其萌生機制仍然存在爭議。因此，開展針對初期塑形滑移變形到裂紋萌位過程的原位研究並建立其與滑移相關關鍵晶粒取向信息、晶界結構的量化關係是提高裂紋預測準確性的關鍵。

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Michael Preuss教授團隊首次闡明了雙態TIMETAL®834合金在高周疲勞加載條件下兩種同時存在的裂紋萌生機制。利用2D 和3D-EBSD表徵技術，該團隊發現儘管沿晶裂紋和穿晶裂紋在材料表面均沿基面滑移萌生，但裂紋面形成過程顯著不同。其中沿晶裂紋與一種特殊的（0001）扭轉晶界有關，和穿晶裂紋相比，沿晶裂紋的尖端幾乎無塑性變形參與，通過沿（0001）面的快速解理斷裂形成，而穿晶裂紋則沿近（0001）面的斷裂面多步形成。此外，基於對裂紋萌生機制的多維度理解，提出全新的疲勞預測模型，實現了裂紋萌生位置的量化預測並得到統計學研究驗證。相關論文以題為「Multi-dimensional study of the effect of early slip activity on fatigue crack initiation in a near-a titanium alloy」發表在材料領域頂級期刊《Acta Materialia》。劉璁慧博士為論文第一作者，Michael Preuss教授為論文通訊作者，該項目獲得了英國自然科學基金（EPSRC）和曼徹斯特大學校長獎學金資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117967

研究發現，在低應力加載條件下a相的彈性及塑形各向異性導致雙態組織TIMETAL®834合金的塑性變形以等軸狀初生a相內的基面滑移為主。穿晶和沿晶裂紋的萌生均沿平行於基面滑移跡線方向發生，並與局部滑移變形導致的表面粗化有關。穿晶裂紋沿（0001）晶面的萌生過程伴隨着柱面滑移激活，在（0001）面產生一系列台階，因此形成了近（0001）斷裂面。通過對比數百個晶粒的量化研究，發現穿晶斷裂與晶面取向、C軸相對加載方向的取向、滑移方向相對於材料表面的取向相關，因此提出了包含以上三個因素的裂紋萌生判據。沿晶裂紋萌生與特殊的（0001）扭轉晶界有關，該晶界促進了局部滑移變形，此外由於扭轉晶界本身的界面能更低，因此沿晶斷裂沿（0001）晶面以解理斷裂方式快速產生，沒有額外的塑形變形參與。

圖 1 雙態組織TIMETAL®834合金的工程拉伸應力應變曲線、顯微組織和晶粒取向分布圖

圖2 滑移激活晶粒和裂紋萌生晶粒的晶粒取向分布圖

圖3 穿晶斷裂和沿晶斷裂晶粒的3D-EBSD圖、斷裂面的3D重構形貌和斷裂面與（0001）晶面的取向關係。

圖4 穿晶斷裂面的萌生機制

圖5沿晶斷裂面的萌生機制

圖6 穿晶裂紋萌生區域的微觀結構和裂紋萌生預測因子F的有效性

本文研究了一種雙態組織近a鈦合金中兩種不同的疲勞裂紋萌生機制以及相關的關鍵微觀結構因素，並實現了裂紋萌生位置的量化預測。這對提高疲勞壽命預測的準確性有着重要指導意義。對於裂紋萌生機制的多維度理解對優化鈦合金的熱加工工藝參數和延長發動機葉片的服役周期提供了重要理論依據。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。