在多尺度TC18合金中，由于α相的变化，裂纹扩展机制从滑移驱动转变为剪切带控制

《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》：Mechanistic transition from slip-driven to shear-band-controlled crack propagation induced by α-phase variation in multiscale TC18 alloy

该研究通过等温退火和时效处理制备多尺度部分层状TC18钛合金，系统分析温度变化对各加工阶段微观结构和力学性能的影响，发现粗大α相、α团簇及晶界α（αGB）通过滑移协调和裂纹偏转机制提升断裂韧性，其中与拉伸轴±40°至±70°的“软”取向α相协同作用显著增强抗裂纹扩展能力。

　　

强增|赵鑫杜|田浩功|张树志

内蒙古工业大学材料科学与工程学院，中国呼和浩特010051

摘要

本研究通过等温退火后时效处理，制备了一种多尺度、部分层状的TC18（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe）合金。系统研究了不同加工阶段温度变化对合金微观结构演变和力学性能的影响。通过原位拉伸试验和三点弯曲试验表征了裂纹扩展行为。结果表明，多尺度特征和层状结构的结合使TC18合金具备了优异的强度-韧性平衡。值得注意的是，退火过程中初级α相（α_p）含量的变化对合金的断裂韧性和断裂行为有显著影响。较低的退火温度促进了大量α晶团的形成，这些晶团在变形过程中有助于滑移以适应应变；因此，裂纹扩展主要受滑移积累和分离的控制。此外，影响裂纹偏转的关键微观结构特征包括粗大的α_p相、α晶团以及晶界α（α_GB）。粗大α_p相和α晶团内的滑移活动会在相界或晶团界处引起位错堆积，从而促进裂纹偏转。此外，具有“软”取向（相对于拉伸轴呈±40°至±70°）的粗大α_p相和α晶团显著提高了合金的断裂韧性。

引言

钛及其合金因其优异的性能（包括高强度、低密度和良好的耐腐蚀性）而被广泛应用于航空航天和海洋领域。高强度和高韧性的钛合金长期以来一直受到研究人员的关注，因为它们结合了高强度和卓越的韧性，适用于航空航天结构应用[1]、[2]、[3]。为了确保航空航天结构的安全性，损伤容忍度已成为一个重要的设计标准。因此，近年来提高钛合金的韧性而不牺牲强度已成为关键的研究方向。

平面应变断裂韧性（K_IC）作为损伤容忍度的关键指标，广泛用于评估材料抵抗裂纹不稳定性及扩展的能力[5]。Ritchie R. O. [6]、[7]将影响断裂韧性的因素分为内在因素和外在因素。内在因素由材料的固有塑性决定，而外在因素反映了材料屏蔽或抵抗裂纹增长的能力。类似地，G. Lütjering等人[8]确定了钛合金断裂韧性的两个主要贡献因素：固有抗断裂能力和裂纹尖端屏蔽几何形状。在此基础上，Yang Liu [9]提出了一个模型，将断裂韧性分为内在因素和几何因素，这有助于解释β晶粒尺寸对钛合金断裂韧性矛盾影响的解释。钛合金的力学性能在很大程度上取决于其微观结构。研究表明，内在韧性主要受β晶粒、初级α相和次级α相等微观结构特征的影响，这些特征常见于等轴结构中。相比之下，几何因素受初级α相的形态和晶界α（α_GB）结构等因素的影响，这些特征是层状结构的特征[10]、[11]。尽管层状结构由于晶粒尺寸较大通常表现出较差的延展性，但在同等强度水平下，它们的断裂韧性往往高于等轴结构，使其更适用于航空航天结构应用。

原位拉伸扫描电子显微镜（SEM）已成为实时观察和分析材料变形行为的一种常用技术，特别是在多尺度钛合金的裂纹起始和断裂机制研究中[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。在等轴微观结构中，滑移通常在等轴α相内开始。随着α相含量的减少，β基体适应变形的能力降低，导致裂纹起始位置逐渐从α晶粒内部转移到α/β界面[17]。在层状微观结构中，由于α相和β相之间的Burgers取向关系[${\left(0001\right)}_{\alpha }\Vert {\left(110\right)}_{\beta }$和，滑移在变形过程中优先发生在α晶团内部。然而，在不同取向的α晶团边界处，滑移传递受到阻碍，从而促进了裂纹的起始[12]、[16]。与等轴微观结构相比，层状微观结构（特别是部分层状结构）通常表现出较低的延展性，这限制了在原位拉伸载荷下直接观察裂纹扩展的可能性。因此，关于部分层状结构中裂纹扩展的研究仍然有限。

在裂纹扩展方面，层状结构在力学性能上表现出显著的各向异性，层片的取向对裂纹生长行为起着关键作用。研究表明，在层状钛合金中，尤其是完全层状结构中，疲劳裂纹生长与层状α相的取向密切相关。当层片与裂纹生长方向平行时，裂纹扩展速度较快；而当层片呈一定角度倾斜时，会产生应力屏蔽效应，从而减缓裂纹扩展[20]。Wang等人通过增材制造技术研究了TA19钛合金中层片取向的控制，发现当层片与应力方向成75°至90°时，疲劳裂纹增长的抗性显著降低[21]。Zhao等人[22]利用建模研究了层片取向的影响，观察到当层片角度在10°至30°范围内时，塑性变形较大，这可能有利于TC4合金的疲劳性能。关于拉伸断裂，S. Mitao等人[23]报告称，在完全层状钛铝化物中，当层片与裂纹方向平行时会发生层间断裂，导致断裂韧性仅为垂直方向的三分之一。Zhang等人[24]模拟了层状结构的拉伸行为，发现具有“硬”取向的层状α相表现出明显的应力集中，而“软”取向则更容易发生滑移。然而，关于层状α取向对部分层状结构断裂韧性影响的研究仍然有限，关键的取向范围尚未明确。

TC18是一种高强度、高韧性的近β钛合金，由于其优异的耐腐蚀性和高强度-密度比，被广泛用于航空航天结构部件[25]。本研究通过多步热处理工艺（包括等温退火后时效处理）制备了一种多尺度、部分层状的TC18合金。系统研究了多步热处理对合金微观结构和力学性能的影响。通过在试样中引入预制裂纹进行原位拉伸试验，成功观察到了裂纹扩展过程。分析了层状结构在裂纹偏转和断裂行为中的作用，并进一步阐明了层状α相取向对断裂韧性的影响。

部分章节

材料与热处理工艺

实验材料是一种在α+β相域内锻造的双相TC18钛合金。锻造后的TC18棒材尺寸为Ф56 mm × 100 mm，名义化学组成为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。图1(a)显示的原始微观结构包括等轴α相、棒状α相和β基体（β_trans），以及沉淀的次级α相（α_s），代表了典型的双峰结构。金相分析确定了β转变温度

多尺度部分层状结构的微观结构演变

图3展示了TC18合金在900°C、920°C和940°C下处理0.5小时，随后在740°C下退火2小时并空气冷却，最后在500°C下时效2小时并空气冷却后的微观结构。子图(b)、(d)和(f)分别放大了(a)、(c)和(e)中的α晶团。经过联合等温退火和时效处理后，合金形成了由初级α相组成的多尺度、部分层状微观结构

不同微观结构对裂纹偏转机制的影响

图13(a)–(e)展示了逐步的裂纹扩展过程，清晰地显示了曲折的裂纹路径。在扩展过程中，裂纹在晶界和晶粒内部受到各种微观结构特征的影响而发生偏转。图13(f)中追踪了具体的裂纹扩展路径，观察到了三种不同的裂纹偏转现象。首先，如图13(g)所示，在β_trans和α晶团附近的晶界处发生了显著的裂纹偏转。

结论

本研究通过等温退火后时效处理制备了一种多尺度部分层状的TC18钛合金。系统研究了每个加工阶段温度变化对合金微观结构和力学性能的影响。通过原位拉伸试验表征了多尺度部分层状结构中的裂纹扩展行为。

• (1)
  粗大的α_p相、α晶团和不连续的晶界α（α_GB）控制了裂纹的扩展

CRediT作者贡献声明

强增：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理。赵鑫杜：验证、监督、资源获取、概念化。田浩功：监督、资源获取、资金获取。张树志：资源获取、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了内蒙古自治区自然科学基金（项目编号2024JQ03）、内蒙古自治区直属高校基本科学研究经费项目（项目编号JY20230108）、呼和浩特市基础与应用基础研究项目（项目编号2024-Plan-Base32）、一流学科科学研究专项项目（YLXKZXNGD-002）以及中央政府指导的地方科学技术专项基金的支持