1.背景介绍

当今世界各国都在加紧探索和开发海洋资源，载人深潜器、深海运输管路、深海空间站等先进海洋装备及其技术也的得到了快速发展和应用。钛合材料在海洋工程装备领域应用非常广泛，如船体结构件、潜艇和深潜器的耐压壳体、管件、阀及附件等。上述合金构件在工程作业过程中经常存在保载疲劳失效问题，而损伤生命周期中微裂纹萌生阶段至关重要，甚至占到总寿命的90%以上。这些微裂纹的产生与合金的微观组织、晶粒取向等特征密切相关。因此，揭示钛合金保载疲劳载荷下裂纹萌生的微观机理，不仅能够加深人们对海洋环境下材料服役行为的认知，而且对于海洋装备的抗疲劳设计具有重要意义。

2. 成果简介

近日，西北工业大学李金山教授团队通过微观组织表征和分子动力学模拟等工作，系统阐述了海洋工程用近α型钛合金Ti6321的室温保载疲劳微裂纹萌生机理。通过对保载疲劳断口刻面裂纹源的表征，揭示了刻面裂纹的晶体学取向和空间取向特征，发现裂纹源刻面倾向形成于初生α相(0001)基面上。结合准原位试验，进一步发现主要的微裂纹萌生模式为(0001)扭转晶界开裂模式，且与基面滑移变形的施密特因子及其方向息息相关。结合裂纹萌生特征及分子动力学模拟，建立了钛合金室温保载疲劳表面和亚表面(0001)扭转晶界新的裂纹萌生倾向判据，实现了对(0001)扭转晶界开裂倾向的定量描述，为钛合金保载疲劳微裂纹损伤行为研究及性能改善提供了新的思路。相关工作以题为“Crystallographic micro-mechanism of faceted crack initiation in near-α titanium alloy Ti6321 under room-temperature fatigue and dwell fatigue loadings”的研究论文发表在Journal of Materials Science & Technology。论文第一作者为博士研究生张文渊，通讯作者为樊江昆特任研究员，通讯单位为西北工业大学。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.03.065

3. 图文解析

图1. 不同条件下疲劳断口SEM照片与EBSD-IP图

图1(a-c)为保载1s、10s、30s试样(DF1、DF10、DF30)断口的刻裂纹源SEM照片图：裂纹源由一系列光滑刻面组成，且均位于试样的表面或亚表面；图1(d-f)展示的是通过FIB微纳加工的方式获得的这些刻面裂纹源晶粒EBSD取向信息，图1(g-h)展示的是FIB微纳加工获得的平面SEM图。通过计算刻面的法向方向与HCP晶体的c轴取向，可以得知裂纹源刻面均平行于(0001)基面，且均具有较高的是基面滑移施密特因子。

图2. (0001)扭转晶界裂纹SEM以及EBSD-IPF图，其中(a-d)为表面裂纹，(e-f)为亚表面裂纹

图2(a-f)展示的是通过准原位试验在保载1s、30s、120s疲劳1000周次时观察到形成的一种特殊裂纹，即(0001)扭转晶界裂纹。所谓(0001)扭转晶界裂纹指的是裂纹形成于一对相邻的α晶粒的晶界上，这对晶粒之间围绕HCP的c轴旋转特定角度ω。经过统计，(0001)扭转晶界开裂模式为最主要的微裂纹萌生模式，其不仅在样品表面大量观察到，如图2(a-d)所示，也同样存在于样品亚表面，如图2(e-f)所示。

图3. 扭转晶界裂纹AFM表征

图3展示了表面(0001)扭转晶界裂纹的AFM表征结果，通过AFM测定的表面粗糙度特征分布图可以看出（图3(c,g)），裂纹两侧分别形成了具有不同表面粗糙度，如图3(d-h)所示，裂纹两侧形成了典型的“凸出（extrusion）”和“凹入（intrusion）”形貌，其最大高度达到了200nm。这种形貌是在交变疲劳载荷作用下，位错的平面滑移作用于样品表面形成的，一般也称“永久驻留带（persistent slip band, PSB）”。研究指出，PSB的产生主要与基面滑移的伯氏矢量方向有关，具有高施密特因子且伯氏矢量方向朝向样品表面有利于PSB的形成。这种PSB的产生与(0001)扭转晶界开裂有直接的关系。

图4. 表面模型和亚表面模型的分子动力学模拟

为了揭示PSB形成导致表面(0001)扭转晶界开裂的微观机理，以及亚表面 (0001)扭转晶界开裂的机理，开展了分子动力学模拟，分别建立了表面扭转晶界模型（图4(a)）和亚表面扭转晶界模型（图4(b)），并采用如图4(c)所示的加载波形。

图5 原子位移取向分布极图：(a-d)为表面(0001)扭转晶界模型；(e-h) 为亚表面(0001)扭转晶界模型

分子动力学的结果表明，对于表面和亚表面(0001)扭转晶界而言，晶界附近两侧原子会沿着不同方向发生不同程度的迁移。对于表面晶界而言，晶粒2晶界附近原子主要沿着方向发生位移(图5(d))；而对于亚表面晶界而言，晶粒1和晶粒2晶界附近原子则分别沿着和方向发生迁移。两种情况都会使得(0001)扭转晶界上产生显著的剪切应变，在剪切应力以及界面上法向拉应力的共同作用下，扭转晶界面上发生原子脱粘，萌生裂纹源从而导致(0001)扭转晶界裂纹的形成。

图6. 保载疲劳(0001)扭转晶界裂纹开裂晶体学判据：(a,b)为表面(0001)扭转晶界裂纹C1判据；(c,d) 表亚面(0001)扭转晶界裂纹C2判据

基于上述结果，分别给出了(0001)扭转晶界开裂的晶体学判据，其中表面扭转晶界开裂判据为：C1=μ_basal∙sinΩ，其中μ_basal为(0001)扭转晶粒对的最大基面滑移施密特因子，Ω为基面滑移伯氏矢量方向与样品表面的夹角（如图6(e)所示）。亚表面扭转晶界开裂判据为C2=μ_basal∙cosθ，其中θ为HCP-c轴与应力方向的夹角。基于这两类判据，可以对给定组织中扭转晶界的开裂难易程度进行定量评估，从而为判断其微裂纹萌生倾向提供了一个有效方法。

4. 引用文本

Wenyuan Zhang, Qiaonan Shu, Jiangkun Fan, et al. Crystallographic micro-mechanism of faceted crack initiation in near-α titanium alloy Ti6321 under room-temperature fatigue and dwell fatigue loadings. Journal of Materials Science & Technology, 2025, 205: 109-126,