高温钛合金疲劳失效微观机制的进一步认识

为深化了解高温钛合金晶体取向分布特征对其疲劳断裂规律的影响，我们设计出具有微织构和无明显微织构特征的Ti60合金进行疲劳和保载疲劳对比试验，进一步证实了常规疲劳和保载疲劳均发生由基面滑移导致的基面断裂。不同的是，疲劳裂纹主要在施密特因子大于0.2的晶粒上通过基面扭转晶界萌生，而保载疲劳裂纹不仅在施密特因子大于0.2的晶粒中以基面扭转晶界萌生，还在软晶粒相邻的施密特因子小于0.15的硬晶粒基面上萌生。

该工作通过原位保载和高分辨数字图像技术，从宏观到微观揭示了基面滑移参与裂纹萌生和局部应变的关系，直接观察到软晶粒柱面位错堆积激活相邻硬晶粒中的基面滑移形成且先于裂纹萌生，为软/硬晶粒Stroh修正模型提供了直接证据。同时证实了在 基面扭转晶界处首先形成基面滑移并产生应变局部化，在晶界处的局部滑移剪切导致基面开裂，为基面扭转晶界模型提供了实验支撑。

此外，该项工作还首次在变形孪晶罕见的高Al含量近α Ti60合金中发现保载载荷诱导孪晶优先协调(0001)基面晶粒变形以及延缓由基面滑移引起的基面裂纹萌生和扩展，提高了抗疲劳性。孪晶内高密度的锥面< c+a >位错及其分解形成的具有特定纳米间距的基面堆垛层错，使得协调过程伴随着孪晶内部显著的晶格畸变。这些基面晶粒中新形成的纳米孪晶界和堆垛层错作为位错运动的屏障，提高了合金的强度和保载寿命。

相关研究成果：

1. “Crack initiation mechanisms of micro-textured Ti60 alloys with different dwell sensitivities subjected to fatigue and dwell fatigue loading”《International Journal of Plasticity》

2. “Near-α Ti60 alloy dwell fatigue basal slip-induced cracking: Faceted crack initiation and local strain evolution”《Journal of Materials Science & Technology》

3.“Near-α titanium alloy dwell load-induced deformation twinning to coordinate the deformation mechanism associated with crack initiation”《International Journal of Plasticity》

该工作得到国家科技重大专项项目的支持，第一作者为西北工业大学材料学院博士毕业生王柏宁。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103986. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.03.105.

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104116.