一种钛合金疲劳和保载疲劳中微结构和损伤演化的准原位EBSD观测方法

裂纹萌生和损伤演化是疲劳研究的一个核心科学问题，然而限于已有的研究手段，鲜有关于循环载荷作用下材料微结构特征和损伤演化的直接观测报导。本文将传统的试验机（MTS试验机）与电子背散射衍射（Electron backscattered diffraction, EBSD）观测技术相结合，发展了一种准原位EBSD观测方法，并研究了深海载人潜水器耐压舱用Ti-6Al-4V ELI合金在疲劳和保载疲劳载荷下微结构和损伤演化行为。研究表明：①滑移系倾向于发生在具有较大基面滑移或柱面滑移施密特因子（Schmid factor, SF）的α晶粒中，孪晶发生在柱面滑移SF不大于0.2的α晶粒中，二者均与最大应力保载和保载时间无关（图1a-1m）。α晶粒中是否发生孪晶取决于晶粒的结晶取向和加载条件，一定程度的保载应力促进可以发生孪生的α晶粒中孪晶的形成。②疲劳和保载疲劳载荷下，都捕捉到α晶粒中取向差的增加和亚晶粒的形成，为循环载荷下位错滑动和位错相互作用导致晶粒细化提供了证据（图1n）；观察到α晶粒中由于孪生而形成亚晶粒的过程，表明孪晶也是循环载荷下晶粒细化的一个主要原因（图1o）。③疲劳微裂纹倾向萌生在具有较大柱面滑移SF的α晶粒的柱面，而保载疲劳微裂纹倾向起源于具有较大基面滑移SF的α晶粒的基面或c轴与施加轴向应力之间具有小角度的α晶粒边界。一定程度的最大应力保载增加了塑性应变的积累，有利于脆性微裂纹的形成，但如果保载应力高或保载时间长，保载引起的塑性应变会抑制脆性微裂纹的增长，并诱导延性破坏模式。④由于保载应力和保载时间不同，保载疲劳可以呈现三种模式：疲劳失效（即脆性裂纹萌生和增长主导的失效），延性失效（塑性变形主导的失效）和混合失效（脆性裂纹萌生和增长以及塑性变形共同主导的失效）。对于延性失效或混合失效，不能通过传统的裂纹萌生和扩展速率有效预测疲劳寿命。

图1 a-f: 单滑移系开动情况. g-l: 多滑移系开动情况. m: c轴与施加轴向应力之间夹角和柱面滑移SF.

n: 晶粒内取向差变化. o: 孪晶和亚晶粒形成.