近α型钛合金因其高比强度、良好耐冲击性能和耐腐蚀性，其广泛应用与航空航海领域。其中海洋环境下由于其复杂的服役工况，对钛合金性能提出了更高的要求，尤其是保载疲劳性能。所谓保载疲劳性能是一种在峰值应力处保载一段时间的特殊疲劳形式，其会显著恶化材料的服役寿命。作为占据主要疲劳寿命的裂纹萌生阶段，其因为保载疲劳变形的复杂性，往往存在多种裂纹萌生模式。其中（0001）扭转晶界开裂作为近年来被广泛发现于近α钛合金中的裂纹萌生模式，目前尚未有系统研究揭示其具体的显微机理。因此本文的研究便着眼于该裂纹萌生模式，根据试验和模拟结果，建立了可信的(0001)扭转晶界开裂机理模型。

研究发现，裂纹源刻面更易在初生α相(0001)基面上形成。通过开展准原位试验，进一步明确了主要的微裂纹萌生模式为(0001)扭转晶界开裂模式，并且该模式与基面滑移变形的施密特因子及其方向紧密相关。基于裂纹萌生特征，结合分子动力学模拟的结果，团队建立了针对钛合金室温保载疲劳表面和亚表面 (0001) 扭转晶界的全新裂纹萌生倾向判据，实现了对 (0001) 扭转晶界开裂倾向的量化描述。这一成果为深入研究钛合金保载疲劳微裂纹损伤行为以及改善其性能，提供了全新的思路和方法。相关研究成果以 “Crystallographic micro - mechanism of faceted crack initiation in near - α titanium alloy Ti6321 under room - temperature fatigue and dwell fatigue loadings” 为题，发表于 Journal of Materials Science & Technology 期刊。

本文的研究对象为Ti80合金，即Ti6321合金（Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo），所选取的组织状态为轧制退火后获得的双态组织。试验试样包括了标准棒状疲劳试样用于寿命表征和断口分析，以及板状疲劳试样用于准原位试验的表面微裂纹萌生相关的研究。

图 1 (a-c) 呈现的是保载时长分别为 1 秒、10 秒、30 秒的棒状试样（DF1、DF10、DF30）断口刻裂纹源的扫描电子显微镜（SEM）照片。从图中可以看出，裂纹源由一系列光滑刻面构成，并且均处于试样的表面或者亚表面。图 1 (d-f) 展示的是借助聚焦离子束（FIB）微纳加工技术获取的这些刻面裂纹源晶粒的电子背散射衍射（EBSD）取向信息，图 1 (g-h) 则展示了通过 FIB 微纳加工得到的平面 SEM 图。通过对刻面的法向方向与六方密堆积（HCP）晶体的c轴取向进行计算，能够得知裂纹源刻面均与(0001)基面平行，并且都具备较高的基面滑移施密特因子。这证明刻面的形成与基面<a>滑移变形息息相关。

图1. 不同条件下疲劳断口SEM照片与FIB加工刻面的EBSD-IPF图

图 2 (a-f)展示的是在准原位试验板状试样中，保载 1 秒、30 秒、120 秒且疲劳达到 1000 周次时观察到的一种特殊裂纹，即(0001)扭转晶界裂纹。这里所说的(0001)扭转晶界裂纹，是指裂纹形成于一对相邻 α 晶粒的晶界上，这一对晶粒围绕 HCP 的 c 轴旋转特定角度 ω。经统计发现，(0001)扭转晶界开裂模式是最为主要的微裂纹萌生模式，不仅在样品表面能够大量观察到，如图 2 (a-d) 所示，在样品亚表面同样存在，如图 2 (e-f)所示。

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 3 展示了表面(0001)扭转晶界裂纹的原子力显微镜（AFM）表征结果。从AFM测定的表面粗糙度特征分布图（图 3 (c, g)）可以看出，裂纹两侧分别形成了具有不同表面粗糙度的区域。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200纳米。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而形成的，通常也被称为“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时，有利于PSB的形成。而这种PSB的产生与(0001)扭转晶界开裂有着直接的关联。

图3. 扭转晶界裂纹AFM表征

为了深入揭示 PSB 形成致使表面(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，研究团队开展了分子动力学模拟。分别构建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4. 表面模型和亚表面模型的分子动力学模型示意图和加载波形示意图

分子动力学模拟结果表明，对于表面和亚表面(0001)扭转晶界而言，晶界附近两侧的原子会沿着不同方向发生不同程度的迁移。对于表面晶界，晶粒2晶界附近的原子主要沿着特定方向发生位移（图 5 (d)）；而对于亚表面晶界，晶粒1和晶粒2晶界附近的原子则分别沿着不同方向发生迁移。这两种情况都会使(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，进而萌生裂纹源，最终导致(0001)扭转晶界裂纹的形成。

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

基于上述研究结果，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，这里的μ_basal 是(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。依据这两类判据，能够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种行之有效的方法。

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