最近的飛機部件出現故障突出表明，在理解和預測鈦合金在循環加載下的行為方面仍存在一定不足。盡管幾十年來對疲勞裂紋的形成機制進行了大量研究，但疲勞裂紋形核與微觀組織之間的關系尚不明確。這在一定程度上與通過不同的熱機械加工途徑獲得的鈦合金成分和顯微組織的變化有關，也與試驗條件有關。例如，在雙態顯微結構中，裂紋是在初生α區或轉變β區中形核是存在爭議的。這主要是由于初生α區和次生α區之間的元素分配造成。普遍認為初始面形成是滑移激活的結果。雖然基面滑移通常被認為是不同α+β合金疲勞裂紋形成的初步階段，但裂紋很少在棱柱狀滑移帶上形核。最近研究表明，在低周疲勞和居住疲勞載荷下，在(0001)扭曲邊界處形成裂紋，然而裂紋的形成過程，與其他合金和顯微組織的相關性以及初始裂紋是否位于這些顯微組織構型中尚不明確。

法國普瓦提埃大學的研究人員闡明了三種廣泛應用的鈦合金在不同組織和載荷條件下的裂紋萌生過程。利用低周疲勞試驗，發現了一種獨特的裂紋形成機制，主要包括(0001)扭轉界面處的應變局部化。相關論文以題為“Strain localization and fatigue crack formation at (0001) twist boundaries in titanium alloys”發表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117227

本文采用的Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(Ti-6242)和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo(Ti-6246)合金，在750℃退火，在593℃進行8h時效處理。Ti-6242和Ti-6426在殘余β基體內呈現等軸α和雙片層α組成的三重組織。Ti-6Al-4V(Ti-64BM)經處理后呈的雙相組織由初生α晶粒和轉變β區組成，其中片層狀α嵌在殘余β相中。

研究發現對于所有的合金、組織和加載條件，都觀察到相似的裂紋形成機制。對成分和微觀結構差異(包括晶粒尺寸、微觀結構程度和β分數)的不敏感性表明了目前研究結果的廣泛相關性。早期裂紋在(0001)扭轉界面處形成，裂紋沿著界面發展很快，與周圍區域的一些塑性活動有關。為了形成潛在的裂紋起始點，扭轉界面必須經歷剪應力和高正應力。沿(0001)扭曲界面的局部剪切先于裂紋的形成，剪切沿α/α晶界進行，與大多數滑移相比，應變局部化發生在低應力下。

圖1 不同鈦合金的背散射電子顯微圖、晶粒取向和拉伸工程應力應變曲線

圖2 (0001)扭轉界面和{101}扭曲晶界附近的晶粒取向

圖3 裂紋周圍的微觀結構和結晶方向的TEM和反極圖

圖4 不同合金的裂紋亮場TSEM圖

本文研究了幾種不同顯微組織鈦合金低周疲勞裂紋的形成機理。為了揭示裂紋形成的過程，對潛在裂紋起始點的變形進行了表征。發現{101}扭轉界面容易出現滑移局部化，并可能在循環過程后期形成裂紋。與應變局部化和裂紋形成相關界面的重要特征包括滑移面與界面的平行度和涉及該滑移面的滑移系統上的高分辨剪應力。本文為研究鈦合金裂紋形成機制提供了理論基礎。