《Materials Science and Engineering: A》：In situ investigation of slip behavior and failure mechanisms in Ti-6Al-4V-0.4Fe-0.6Mo alloy with bimodal microstructure
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钛合金变形机制与断裂行为研究：通过原位拉伸测试结合SEM-EBSD分析，揭示了双模态α相（αp和αs）的滑移主导模式及协同变形机制。研究表明αp相以棱柱型滑移为主，伴随晶格旋转（约5.6°）；αs相通过晶格旋转和滑移系激活实现变形。裂纹优先在αp/αs界面、αs亚晶界及应力集中区萌生。Fe/Mo元素导致β相偏析及界面化学强化，显著阻碍滑移传递。
桥忠立|赵勤阳|孟梓轩|郭平|张润琦|毛亚梅|宋硕|王焕|王宽舍|赵永清
西安建筑科技大学冶金工程学院，中国陕西省西安市710055
摘要： 通过原位拉伸测试和SEM-EBSD技术，研究了双模Ti-6Al-4V-0.4Fe-0.6Mo合金的微观结构演变、滑移行为和失效机制。结果表明，塑性变形主要由α型滑移主导，在主要的α_p（α_p）和次要的α_s相中，棱柱状α滑移是主要的滑移方式。在变形初期，塑性主要由α_p晶粒承担，而α_s层状结构的贡献较小。随着应变的增加，α_p晶粒中的变形通过增强锥形α滑移、多滑移和交叉滑移活动来适应，同时在12%应变时伴随着约5.6°的晶格旋转。相比之下，α_s层状结构主要通过逐渐的晶格旋转来变形，导致{0001}织构强度降低。滑移传递表现出“几何-界面-化学”耦合依赖性。几何兼容性因子m'、界面接触长度、界面特性以及界面附近的Fe/Mo浓度梯度共同决定了滑移传递效率。微裂纹优先在α_p/α_s界面、α_s晶粒间边界和局部受限区域萌生。EDS分析显示β相和α/β界面处Fe/Mo富集，这增加了滑移传递的阻力。值得注意的是，在裂纹附近观察到明显的溶质梯度，表明失效是由于机械驱动的应变局部化与化学诱导的界面强化之间的耦合作用。几何约束促进了局部化，而Fe/Mo相关的化学硬化提高了滑移传递障碍并加剧了界面应力积累。
引言 Ti-6Al-4V（TC4，也称为Ti-64）合金是一种典型的α+β钛合金，由于其高比强度、优异的断裂韧性和良好的耐腐蚀性，在航空航天、化工和海洋工程中得到广泛应用1, 2, 3。然而，钛海绵和钒的高成本限制了其更广泛的应用。电子束冷炉熔炼技术的最新进展使得TC4废料可以经济有效地回收利用以生产新合金4, 5。在此背景下，使用回收的TC4废料作为原料开发了Ti-6Al-4V-0.4Fe-0.6Mo合金（TC4L）6, 7。Fe和Mo是强β稳定元素，它们的添加通过改变α/β相变路径并增加β相的体积分数和稳定性来细化双模α_p+α_s微观结构8, 9, 10。此外，它们还修改了β相和α/β界面的化学成分、硬度和界面性质8, 9, 10。然而，这些效应在TC4L的原位变形和失效行为中的具体表现尚未明确。因此，对该Fe-Mo改性合金的微观结构变形特性和断裂机制进行深入研究是必要的。
微观结构在调节钛合金的机械性能方面起着关键作用11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20。在各种形态中，双模微观结构在α+β钛合金中得到广泛应用，因为它通常能提供有利的强度-延展性平衡11, 15, 16。已经投入了大量努力来理解双模微观结构的机械响应和变形机制17, 18, 19, 20。例如，F. Bridier等人[17]使用原位拉伸测试研究了TC4中的α相滑移模式，并讨论了Schmid因子在确定滑移系统激活中的适用性。Huang等人[18]对具有双模微观结构的Ti6242S合金进行了原位SEM-EBSD测试，发现均匀结构中的大多数滑移轨迹局限于α_p和α_s晶粒内，而在非均匀结构中，滑移轨迹穿过微纹理区域。Zhang等人[19]发现，在Ti-17合金中，基面和棱柱状滑移是主要的滑移方式，而一级锥形滑移在α_p晶粒中起次要作用。然而，这些研究尚未澄清α_p与α_s相之间的滑移起始顺序或其协调变形机制。Jia等人[20]结合原位拉伸测试、电子探针微分析、EBSD和TEM研究了Ti60合金，发现滑移优先发生在等轴α_p相中，而层状α_s相由于尺寸较大和可操作的滑移系统范围有限，对变形的贡献较小。总之，具有六方密排（HCP）结构的α_p和α_s相是滑移变形的主要载体。它们的滑移系统的激活和传递受到微观结构的强烈影响。其中，等轴α_p相由于晶粒取向随机和几何约束较少，倾向于激活多个滑移系统。相比之下，层状α_s受到周围界面的更多约束，其滑移活性强烈依赖于层状形态和排列18, 20。此外，相界（如α/β、α/α、α_s/α_s）显著影响滑移传递21, 22, 23。这些变形特性直接决定了双相钛合金的整体延展性和失效路径。尽管对双模钛合金进行了大量研究，但对Fe-Mo改性TC4L在原位加载下的动态变形机制和失效行为仍了解不足。
本研究采用原位拉伸变形结合SEM-EBSD技术来研究双模TC4L的微观结构演变、滑移活动和失效机制。具体目标是：（1）澄清α_p和α_s相中的激活顺序和滑移轨迹演变；（2）确定α_p/α_p和α_s/α_s界面之间的滑移传递机制；（3）将滑移传递和晶格旋转与裂纹萌生位置相关联；（4）阐明Fe/Mo在控制变形机制中的作用。预期这些结果将为Ti-6Al-4V-0.4Fe-0.6Mo合金的微观结构设计和应用提供指导。
材料与方法 本研究中使用了TC4L合金，合金的详细规格在我们之前的研究[6]中已有说明。图1(a)展示了样品的热处理过程示意图。样品首先加热到900°C并保持1小时，然后空气冷却，随后再次加热到500°C并保持4小时，再次进行空气冷却，以获得稳定的双模微观结构。图1(b)展示了样品的原位测试采样位置和方向。
原位拉伸测试 图2显示了原位拉伸测试过程中试样的力-位移曲线。曲线中的应力下降是由于SEM和EBSD测试期间的应力松弛造成的[22]。试样的弹性变形阶段发生在2%应变之前，随后是塑性变形阶段直至断裂。值得注意的是，原位拉伸试验的应变与标准拉伸试验的应变有显著差异，这是由于原位试样的尺寸较小。
Fe/Mo对变形机制的影响 Fe和Mo对TC4L合金的影响表现为原子尺度上的固溶强化效应。强化增量可以表示为[46]：
其中B_i表示溶质i的强化系数，X_i表示溶质i的原子浓度，M是Taylor因子，λ_i是失配参数，Z是拟合常数。可以得出结论，在相同的溶质浓度下，溶质原子与Ti原子之间的失配程度越大，强化效果越明显
结论 本研究通过原位SEM-EBSD揭示了具有双模微观结构的Ti-6Al-4V-0.4Fe-0.6Mo合金的滑移行为和失效机制。主要结论如下：
(1) TC4L的变形行为主要由α型滑移主导，在α_p和α_s相中，棱柱状α滑移是主要的滑移方式。在低应变下，变形主要由α_p晶粒承担，而α_s层状结构的滑移较少，因为其滑移受到晶粒间HAGBs、α_GB和周围α_p晶粒的约束。
CRediT作者贡献声明 孟梓轩： 研究、数据分析。
赵勤阳： 撰写 – 审稿与编辑、验证、资金获取、数据分析。
郭平： 研究、资金获取、数据分析。
王焕： 数据分析。
宋硕： 数据分析。
毛亚梅： 数据分析。
张润琦： 数据分析。
桥忠立： 撰写 – 初稿撰写、研究、数据分析。
赵永清： 撰写 – 审稿与编辑、方法论研究、概念化。
王宽舍： 利益冲突声明 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢 本工作得到了国家重点研发计划 （项目编号：2022YFB3705601）和国家自然科学基金 （项目编号：52371092）的支持。
