导读：不同显微组织成分在两相钛合金裂纹萌生中的作用仍然是一个有很大争议的领域。本文研究了近α钛合金中初生α体积分数和伴随宏观区对两种不同疲劳裂纹萌生模式的影响。在准原位研究中，通过中断疲劳试验监测具有统计代表性的区域，以检测导致裂纹萌生的滑移痕迹形成。此外，还生成了高分辨率的二维应变图，以量化与微观结构特征相关的滑移轨迹的面内剪切应变。详细分析表明，在验证应力达到90%时，无论裂纹是穿晶开裂还是晶间开裂，基底滑移对裂纹萌生起着至关重要的作用。随着αp/αp晶界数量的增加，αp分数的增加，裂纹萌生由穿晶向沿晶转变。高分辨率二维应变映射表明，这些晶间裂纹是由从(0001)扭转晶界开始的基础滑移爆发引起的，但在部分(0001)扭转晶界的情况下，滑移会穿透晶对的一侧。在此基础上，提出了基于几何晶界参数和相邻αp晶粒对在基底滑移中排列良好的偏好的晶间裂纹判据。结果表明，(0001)扭转晶界随着αp分数的增加而增加，而宏观区并没有进一步提高其频率。然而，硬取向晶粒的宏观区确实促进了穿晶裂纹的形成，可能会增加局部应力，并增加了低取向的αp晶粒的滑移长度，从而降低了对面外剪切的要求。

多晶金属材料疲劳裂纹起裂预测仍然是一个重大挑战，这与裂纹起裂过程对微观结构细节的固有敏感性有关。对两相钛合金进行热机械加工可以产生多种不同的显微组织，其中α相可以是完全片层状(α片层嵌在β晶粒中)、双峰状(相对细小的板条结构，称为次生α (αs)，不同取向嵌在β相+等轴α，称为初级α (αp))或完全等轴状(β相主要位于三点)，从而产生一系列的力学性能。因此，为了了解两相钛合金的疲劳行为与微观组织类型、αp的体积分数和晶粒尺寸、αs片层厚度和αs集落尺寸等参数的关系，人们进行了大量的研究，这并不奇怪。当考虑双峰或全等轴组织时，αp体积分数的增加会降低近α和α+β钛合金的疲劳强度。然而，大多数研究都集中在裂纹扩展行为对这一微观结构参数的响应上，而对裂纹起裂的关注较少。Dowsen等人的早期研究表明，TIMETAL®834合金(一种温度可达600°C的近α钛合金)的裂纹萌生特性对αp体积分数变化高达25%不敏感，尽管αp晶粒内部更容易萌生裂纹。然而，Evans等人的研究表明，αp体积分数分别为50%和80%的双峰ti - 6al - 4v和Ti550合金，αp体积分数会影响织构对疲劳行为的影响。不同研究得出的不同结论可能是由于αp体积分数的范围和所研究的不同疲劳加载方式所致。

本研究旨在从微观力学的角度系统地评估αp体积分数对近α ti合金(TIMETAL®834)疲劳裂纹萌生的影响。采用多尺度显微技术对αp体积分数为25%、50%和100%的材料和不同水平的宏观区进行了研究。利用扫描电镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)对裂纹周围的大面积区域进行覆盖，基于两种不同的裂纹起裂准则对穿晶和沿晶裂纹的存在进行了研究。为了进一步揭示滑移带尺度下的非均匀应变场与裂纹萌生之间的关系，采用了不同的成像技术，以准原位的方式监测滑移痕迹的形成和相关裂纹的形成。采用高分辨率数字图像相关(HR-DIC)对SEM图像进行定量分析，以确定中断疲劳试验的面内剪切应变。此外，利用具有超高分辨率EDS功能的(扫描)透射电子显微镜(S)TEM)绘制了扭转晶界。这些观察结果是在作者先前的研究中提出的双峰TIMETAL®834中两种不同的裂纹起裂机制的背景下讨论的。提出了一种改进的两相钛合金跨晶和晶间裂纹萌生机理模型，并对不同组织的裂纹萌生部位进行了预测。

英国曼彻斯特大学Michael Preuss 教授团队的这项研究成果以题为Microstructural effects on fatigue crack initiation mechanisms in a near-alpha titanium alloy发表在国际期刊Acta Materialia上。

链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423002884

图1.光学显微图显示(a) S-25， (b) S-50和(c) S-100的TIMETAL®834的显微结构。

图2.(a) S-25、(b) S-50和(c) S-100中αp表观晶粒尺寸直方图，用等效直径表示，描述了αp晶粒在基底< a >滑移、晶间裂纹和穿晶裂纹的分布。

图3.(a)(e) BSE图像，(b)(e)光学显微照片，(c)(g)裂纹起裂后EBSD IPF图，(d)(h) F S-25和S-50中代表性穿晶裂纹参数图。

图4.在(a) S-25、(b) S-50和(c) S-100中，随机织构的αp晶粒经6000次循环、穿晶裂纹(黑色)和晶间裂纹(蓝色)后的晶体取向(红色)。晶体取向是相对于拉伸轴的。

图5.(a)(e)(i) BSE图像，(b)(f)(j)光学显微照片，(c)(g)(k)裂纹起裂后IPF取向图，(d)(h)(l) S-25、S-50和S-100中代表性晶间裂纹参数图。

图6.取向偏差角直方图显示在所有晶间裂纹位置都存在扭转晶界。

图7. (a)裂纹萌生前的BSE图像，(b)裂纹萌生后的BSE图像，(c)变形前的EBSD IPF图，(d) S-25晶间裂纹区域的G参数图，可以看出强烈的滑移带并不完全沿着扭转晶界，而是略微偏移。

图10. (a) G参数中三个特定角度和(b) a(0001)扭转晶界示意图

图11.(a) (d) G参数图，(b) (e)光学显微图，(c) (f) S-25和S-50出现晶间裂纹区域的BSE图像，显示了扭转晶界的分布及其与晶间裂纹存在的相关性;(g) g参数图显示S-100的扭转晶界分布，高倍视图用黑框表示，显示两个已识别的扭转晶界A和B，其中基滑移施密德因子小于0.25的晶界用浅灰色表示;(h)光学显微图显示与(g)相同的区域和a处存在晶间裂纹。注意，在扭转晶界B处没有出现晶间裂纹，在那里相邻的晶粒对在基底< a >滑移中没有很好的取向。(i)同一区域的F参数图，显示了未观察到的穿晶裂纹的潜在起始点。

图12. (a)光学显微图，(b) EBSD IPF图，(c) F参数图，

(d) S-50微织构区始生穿晶裂纹的最大基底< a > Schmid因子图。注意，(c) - (e)中仅绘制了基底< a >滑移剪切的αp晶粒。

图13.(a) 100次循环，(b) 1000次循环，(c) 10,000次循环和(d) 25,000次循环后，BSE显微图显示S-50中微织构区域的穿晶裂纹的发展;(e)和(f)为(c)的放大区域。

总而言之，本文采用准原位光学显微镜和电子显微镜相结合的HR-DIC分析方法，系统地研究了αp体积分数和宏观区对近α TIMETAL®834合金疲劳裂纹萌生的影响。此外，还进行了一些详细的STEM分析，以提供有关(0001)扭转晶界的更多信息。基于两种疲劳裂纹起裂准则，定量评价了与穿晶和沿晶裂纹有关的一些临界滑移特征和晶界形态。 

在所有组织中，沿晶裂纹萌生都先于穿晶裂纹萌生，αp体积分数的增加和αp晶粒尺寸的增大导致两类裂纹萌生寿命的降低。此外，αp体积分数的增加导致αp晶粒对(0001)扭转晶界处晶间裂纹的显著增加。这是由于αp/αp晶界数量的增加，提高了扭转晶界出现的概率，以及穿晶和沿晶裂纹的起裂机制竞争关系所致。然而，微织构区没有显示出更高频率的(0001)扭转晶界，尽管α晶粒的排列更接近。    

对于平行于αp晶基滑移轨迹的穿晶裂纹，作者最近提出的包含单个晶的三个滑移特征的疲劳裂纹起裂参数(F参数)，在α织构相当随机的情况下，可以作为预测裂纹起裂位置的有效工具，而不考虑αp体积分数。

确定了微观结构特征对F参数有效性的影响:αp体积分数的增加和伴随的宏观区的存在降低了F参数预测穿晶裂纹形成的可靠性。考虑(0001)扭转晶界的判据，通过提出的几何晶界参数(G参数)和相邻αp晶粒对基底< a >滑移的偏好来评估，可以有效地预测裂纹萌生的脆弱部位，而不考虑αp体积分数和微织构区域的影响。