准确预测金属材料微观尺度的疲劳裂纹仍然是工程领域一大挑战，这主要源于裂纹萌生过程与微观组织固有的敏感性。一种双态组织的近a钛合金TIMETAL®834因具有优异的高温性能以及良好的室温疲劳强度，已成功应用于航空发动机叶片。双态组织中各组分的不均匀性在一定程度上增加了疲劳裂纹预测的难度。首先，有关裂纹的萌生位置仍然存在争议，这是由于热机械加工过程的元素偏析导致初生a相和次生a相强度不同。学者普遍认为塑形滑移是导致疲劳失效发生在初生a相中的主要原因，但是缺乏从滑移形成到裂纹萌生过程的理解。此外，不同滑移类型对应的裂纹萌生方式也有所不同，即使相同材料中因基面滑移所导致的裂纹萌生，其萌生机制仍然存在争议。因此，开展针对初期塑形滑移变形到裂纹萌位过程的原位研究并建立其与滑移相关关键晶粒取向信息、晶界结构的量化关系是提高裂纹预测准确性的关键。

近日，来自英国曼彻斯特大学国家先进材料研究创新中心（Henry Royce Institute）的Michael Preuss教授团队首次阐明了双态TIMETAL®834合金在高周疲劳加载条件下两种同时存在的裂纹萌生机制。利用2D 和3D-EBSD表征技术，该团队发现尽管沿晶裂纹和穿晶裂纹在材料表面均沿基面滑移萌生，但裂纹面形成过程显著不同。其中沿晶裂纹与一种特殊的（0001）扭转晶界有关，和穿晶裂纹相比，沿晶裂纹的尖端几乎无塑性变形参与，通过沿（0001）面的快速解理断裂形成，而穿晶裂纹则沿近（0001）面的断裂面多步形成。此外，基于对裂纹萌生机制的多维度理解，提出全新的疲劳预测模型，实现了裂纹萌生位置的量化预测并得到统计学研究验证。相关论文以题为“Multi-dimensional study of the effect of early slip activity on fatigue crack initiation in a near-a titanium alloy”发表在材料领域顶级期刊《Acta Materialia》。刘璁慧博士为论文第一作者，Michael Preuss教授为论文通讯作者，该项目获得了英国自然科学基金（EPSRC）和曼彻斯特大学校长奖学金资助。

论文链接：

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

研究发现，在低应力加载条件下a相的弹性及塑形各向异性导致双态组织TIMETAL®834合金的塑性变形以等轴状初生a相内的基面滑移为主。穿晶和沿晶裂纹的萌生均沿平行于基面滑移迹线方向发生，并与局部滑移变形导致的表面粗化有关。穿晶裂纹沿（0001）晶面的萌生过程伴随着柱面滑移激活，在（0001）面产生一系列台阶，因此形成了近（0001）断裂面。通过对比数百个晶粒的量化研究，发现穿晶断裂与晶面取向、C轴相对加载方向的取向、滑移方向相对于材料表面的取向相关，因此提出了包含以上三个因素的裂纹萌生判据。沿晶裂纹萌生与特殊的（0001）扭转晶界有关，该晶界促进了局部滑移变形，此外由于扭转晶界本身的界面能更低，因此沿晶断裂沿（0001）晶面以解理断裂方式快速产生，没有额外的塑形变形参与。

图 1 双态组织TIMETAL®834合金的工程拉伸应力应变曲线、显微组织和晶粒取向分布图

图2 滑移激活晶粒和裂纹萌生晶粒的晶粒取向分布图

图3 穿晶断裂和沿晶断裂晶粒的3D-EBSD图、断裂面的3D重构形貌和断裂面与（0001）晶面的取向关系。

图4 穿晶断裂面的萌生机制

图5沿晶断裂面的萌生机制

图6 穿晶裂纹萌生区域的微观结构和裂纹萌生预测因子F的有效性

本文研究了一种双态组织近a钛合金中两种不同的疲劳裂纹萌生机制以及相关的关键微观结构因素，并实现了裂纹萌生位置的量化预测。这对提高疲劳寿命预测的准确性有着重要指导意义。对于裂纹萌生机制的多维度理解对优化钛合金的热加工工艺参数和延长发动机叶片的服役周期提供了重要理论依据。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。