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(shang) 演化是疲勞研究的一個(ge) 核心科學問題，然而限於(yu) 已有的研究手段，鮮有關(guan) 於(yu) 循環載荷作用下材料微結構特征和損傷(shang) 演化的直接觀測報導。本文將傳(chuan) 統的試驗機（MTS試驗機）與(yu) 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，並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(shang) 演化行為(wei) 。研究表明：①滑移係傾(qing) 向於(yu) 發生在具有較大基麵滑移或柱麵滑移施密特因子（Schmid factor, SF）的α晶粒中，孿晶發生在柱麵滑移SF不大於(yu) 0.2的α晶粒中，二者均與(yu) 最大應力保載和保載時間無關(guan) （圖1a-1m）。α晶粒中是否發生孿晶取決(jue) 於(yu) 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(ya) 晶粒的形成，為(wei) 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晶粒中由於(yu) 孿生而形成亞(ya) 晶粒的過程，表明孿晶也是循環載荷下晶粒細化的一個(ge) 主要原因（圖1o）。③疲勞微裂紋傾(qing) 向萌生在具有較大柱麵滑移SF的α晶粒的柱麵，而保載疲勞微裂紋傾(qing) 向起源於(yu) 具有較大基麵滑移SF的α晶粒的基麵或c軸與(yu) 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，有利於(yu) 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(hui) 抑製脆性微裂紋的增長，並誘導延性破壞模式。④由於(yu) 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）。對於(yu) 延性失效或混合失效，不能通過傳(chuan) 統的裂紋萌生和擴展速率有效預測疲勞壽命。

圖1 a-f: 單滑移係開動情況. g-l: 多滑移係開動情況. m: c軸與(yu) 施加軸向應力之間夾角和柱麵滑移SF.

n: 晶粒內(nei) 取向差變化. o: 孿晶和亞(ya) 晶粒形成.