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駐留疲勞，是指鈦合金在屈服應(yīng)力低至60%的情況下，疲勞壽命降低，幾起不可控的噴氣式發(fā)動機故障均與此有關(guān)。長期以來，人們一直觀察到位錯滑移是一種斷斷續(xù)續(xù)的尺度橋接現(xiàn)象，與地震中看到的類似，但只是在納米尺度上。這導(dǎo)致人們猜測，大的應(yīng)力爆發(fā)可能會促進裂紋擴展。

在此，來自英國帝國理工學(xué)院的Felicity F. Worsnop & David Dye等研究者，使用高能X射線衍射顯微鏡在Ti-7Al-O合金中觀察到單個晶粒尺度上的這種應(yīng)力爆發(fā)。相關(guān)論文以題為“The influence of alloying on slip intermittency and the implications for dwell fatigue in titanium”發(fā)表在Nature Communications上。

自從最早的位錯原位TEM觀測以來，位錯運動一直被觀察到是間歇性的，在活動爆發(fā)之間有很長的等待時間，最近被稱為位錯雪崩。相比之下，大多數(shù)時變塑性的宏觀現(xiàn)象學(xué)模型都是Zener之后的粘塑性、彈簧和阻尼模型。單晶組合到微結(jié)構(gòu)的晶體塑性有限元模型通常也遵循這種方法，但離散位錯塑性方法允許對單個位錯的間歇性運動進行建模，從而能夠更真實地處理諸如滑移帶與晶界的相互作用等現(xiàn)象。然而，位錯雪崩對該領(lǐng)域材料性能的影響尚未闡明。迄今為止，它一直是一個有趣的科學(xué)現(xiàn)象，但沒有明顯的應(yīng)用。

冷停留疲勞是六方α-鈦的一種現(xiàn)象，在較高的應(yīng)力下，即使在應(yīng)力大大低于屈服應(yīng)力時，也會導(dǎo)致循環(huán)壽命減少超過一個數(shù)量級。對滯留疲勞的新理解是，它是<a>滑移帶活動的“軟”取向的結(jié)果，滑移帶在加工繼承的共同取向區(qū)域(稱為宏觀區(qū)域)中穿過長易滑移路徑，然后撞擊“硬”取向的滑移定向不好的晶粒，進而導(dǎo)致應(yīng)力局部化，形成裂紋。α2 Ti3Al是六方α-Ti的上層結(jié)構(gòu)，因此時效是有害的，因為<a>位錯需要成對運動，從而抑制交叉滑移和促進滑移帶的形成。因此，高的Aleq含量也是有害的，這就是為什么第一次在Ti-811和IMI685等合金中觀察到停留疲勞。然而，氧在駐留疲勞中的作用還不是很明確；O在鈦合金中是一種間質(zhì)固溶體增強劑，但超過2500 ppmw左右的O添加量不利于延展性和疲勞壽命。同時，在O含量較低的情況下，最近的原位TEM觀測和DFT模擬表明，O原子被推離了移動位錯的路徑，形成了無障礙的通道，而且O的添加導(dǎo)致了非常粘性的、高度固定的位錯運動。

高能X射線衍射顯微鏡(HEDM)是近十年發(fā)展起來的一項技術(shù)，它可以通過單個晶粒的衍射光斑的反投影和反褶積來重建O(1 mm3)體積中O(50 μm)晶粒的位置和彈性應(yīng)變狀態(tài)。在研究變形材料的再結(jié)晶和晶粒平均應(yīng)力張量方面，主要的應(yīng)用是結(jié)合層析成像方法的近場晶粒形狀重建。該技術(shù)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這本身就是應(yīng)用的一個重大障礙。一個特殊的問題是在疲勞和裂紋萌生方面的應(yīng)用，因為與工程構(gòu)件的應(yīng)力體積相比，所研究的體積較小。實驗上，利用微柱壓縮和聲發(fā)射光譜研究了顆粒內(nèi)滑移的間歇性。為了闡明位錯雪崩在工程環(huán)境中的含義，需要一種能夠捕捉真實微觀結(jié)構(gòu)行為的介觀方法。

在這項工作中，研究者轉(zhuǎn)向解決Al含量(α2 Ti3Al形成)和間隙O及其在停留疲勞中的作用的問題，這是合金設(shè)計者的關(guān)鍵問題，通過使用HEDM研究它們對微觀組織(而不是微柱)內(nèi)應(yīng)力下降的影響。研究表明，有序Ti3Al沉淀的有害影響是增加了與滑移局部化相關(guān)的罕見的pri <a>和bas <a>滑移爆發(fā)的量級。相比之下，微量O間質(zhì)的添加是有益的，它降低了滑移爆發(fā)的量級，并促進了較小事件的更高頻率。這進一步證明了在鈦合金抗疲勞工程中應(yīng)避免形成容易發(fā)生基面滑移的長路徑。（文：水生）

圖 1 Ti-7Al-O型合金的TEM和力學(xué)表征。

圖2 應(yīng)力松弛后位錯構(gòu)型的STEM圖像。

圖3 從原位蠕變試驗得到宏觀和顆粒級加載歷史。

圖4 ff-HEDM數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

圖5 模型合金的顯微組織。