一種鈦合金疲勞和保載疲勞中微結構和損傷演化的準原位EBSD觀測方法

裂紋萌生和損傷演化是疲勞研究的一個核心科學問題，然而限于已有的研究手段，鮮有關于循環載荷作用下材料微結構特征和損傷演化的直接觀測報導。本文將傳統的試驗機（MTS試驗機）與電子背散射衍射（Electron backscattered diffraction, EBSD）觀測技術相結合，發展了一種準原位EBSD觀測方法，并研究了深海載人潛水器耐壓艙用Ti-6Al-4V ELI合金在疲勞和保載疲勞載荷下微結構和損傷演化行為。研究表明：①滑移系傾向于發生在具有較大基面滑移或柱面滑移施密特因子（Schmid factor, SF）的α晶粒中，孿晶發生在柱面滑移SF不大于0.2的α晶粒中，二者均與最大應力保載和保載時間無關（圖1a-1m）。α晶粒中是否發生孿晶取決于晶粒的結晶取向和加載條件，一定程度的保載應力促進可以發生孿生的α晶粒中孿晶的形成。②疲勞和保載疲勞載荷下，都捕捉到α晶粒中取向差的增加和亞晶粒的形成，為循環載荷下位錯滑動和位錯相互作用導致晶粒細化提供了證據（圖1n）；觀察到α晶粒中由于孿生而形成亞晶粒的過程，表明孿晶也是循環載荷下晶粒細化的一個主要原因（圖1o）。③疲勞微裂紋傾向萌生在具有較大柱面滑移SF的α晶粒的柱面，而保載疲勞微裂紋傾向起源于具有較大基面滑移SF的α晶粒的基面或c軸與施加軸向應力之間具有小角度的α晶粒邊界。一定程度的最大應力保載增加了塑性應變的積累，有利于脆性微裂紋的形成，但如果保載應力高或保載時間長，保載引起的塑性應變會抑制脆性微裂紋的增長，并誘導延性破壞模式。④由于保載應力和保載時間不同，保載疲勞可以呈現三種模式：疲勞失效（即脆性裂紋萌生和增長主導的失效），延性失效（塑性變形主導的失效）和混合失效（脆性裂紋萌生和增長以及塑性變形共同主導的失效）。對于延性失效或混合失效，不能通過傳統的裂紋萌生和擴展速率有效預測疲勞壽命。

圖1 a-f: 單滑移系開動情況. g-l: 多滑移系開動情況. m: c軸與施加軸向應力之間夾角和柱面滑移SF.

n: 晶粒內取向差變化. o: 孿晶和亞晶粒形成.