准确预测金属材料微观尺度疲劳裂纹及其服役寿命目前仍然是工程领域一大挑战。由于经验模型缺乏对微观机制的理解，材料工程师往往通过过度设计有效保证关键零部件全生命周期的服役性能。裂纹预测的挑战性一方面来源于裂纹萌生过程与微观组织固有的敏感性。双相钛合金通过调控热机械加工工艺参数可获得一系列微观组织类型（等轴组织、双态组织、网篮组织和魏氏组织）以及多种相形态特征（初生α相、二次α相和时效α相）。尽管大量文献数据已经表明，提高等轴组织和双态组织中初生α相含量会严重降低材料疲劳寿命，但仍缺乏对裂纹萌生过程机制的理解。此外，实现疲劳裂纹的有效预测需要依靠多尺度、多手段的材料表征技术协同分析。理论上，高周疲劳过程的局部塑形滑移变形会诱发裂纹萌生，但在纳米尺度量化局部应变累积过程仍然非常困难。如何将高周疲劳过程的局部应变信息、晶粒取向信息、局部晶粒转动程度和滑移位错信息与晶界等潜在的材料失效位置紧密结合是裂纹预测的另一大挑战。
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）的博士后研究员刘璁慧博士以论文第一作者在材料领域顶级期刊《Acta Materialia》发表了题为“Microstructural effects on fatigue crack initiation mechanisms in a near-alpha titanium alloy”的系列报道。其他合作作者为来自曼彻斯特大学和蒙纳士大学的徐徐博士、孙天竺博士、Rhys Thomas博士、João Quinta da Fonseca教授和Michael Preuss教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118957
该论文基于作者此前（论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117967）提出的同时存在于TIMETAL®834钛合金中两种不同疲劳裂纹萌生机制的研究背景，进一步阐明了钛合金多种关键微观组织特征对裂纹萌生机制的影响，提出了更加精确的双相钛合金裂纹预测模型。该研究利用高分辨数字图像相关技术（HR-DIC）、超高分辨率的透射电子显微镜（（S）TEM）等多尺度材料表征技术，并结合准原位疲劳变形加载，发现沿晶裂纹与一种特殊的（0001）扭转晶界有关。尽管扭转晶界与基面滑移只有部分平行，却能够提供足够的局部应变，诱导疲劳裂纹萌生。
本研究首次揭示了钛合金中两种裂纹萌生类型间存在的竞争机制及其对裂纹萌生行为的作用机制：随着双态组织中初生α相体积分数的增加，初生α相－初生α相的晶界数量增加，裂纹萌生类型和数量由穿晶向沿晶转变。此外，在相同初生α相体积分数状态下，尽管软取向局部织构会促进穿晶裂纹的萌生，但并没有增加沿晶裂纹萌生的发生频率。该项目获得了多项英国工程与自然科学基金（EPSRC）和曼彻斯特大学校长奖学金资助。
图1 光学显微镜下TIMETAL®834的三种显微结构。
图2 沿晶裂纹萌生区域的微观结构和裂纹萌生预测因子G的有效性。
图3 滑移激活晶粒和裂纹萌生晶粒的晶粒取向分布图。
图4 穿晶裂纹萌生区域的微观结构和裂纹萌生预测因子G的有效性。
图5 扭转晶界处不同疲劳循环次数的局部应变累积过程。
图6（0001）扭转晶界示意图。
图7 预测因子G在钛合金多种显微组织状态下的适用性以及两种裂纹类型的竞争机制。
图8 微观织构对穿晶裂纹预测因子F准确性的影响。
图9 微观织构对沿晶裂纹预测因子G 准确性的影响。
图10 α和β稳定元素在（0001）扭转晶界处的偏聚分析。
本文研究了双态组织近α钛合金中影响两种不同疲劳裂纹萌生机制的关键微观结构因素，并实现了两种不同类型裂纹萌生的量化预测以及预测因子在多种微观组织状态下的适用性。这为准确预测疲劳寿命、优化钛合金热加工工艺参数、延长发动机叶片服役周期提供了重要理论依据。
本文来自微信公众号“材料科学与工程”。
