一種鈦合金疲勞和保載疲勞中微結(jié)構(gòu)和損傷演化的準(zhǔn)原位EBSD觀測(cè)方法

裂紋萌生和損傷演化是疲勞研究的一個(gè)核心科學(xué)問(wèn)題，然而限于已有的研究手段，鮮有關(guān)于循環(huán)載荷作用下材料微結(jié)構(gòu)特征和損傷演化的直接觀測(cè)報(bào)導(dǎo)。本文將傳統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)（MTS試驗(yàn)機(jī)）與電子背散射衍射（Electron backscattered diffraction, EBSD）觀測(cè)技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展了一種準(zhǔn)原位EBSD觀測(cè)方法，并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(jié)構(gòu)和損傷演化行為。研究表明：①滑移系傾向于發(fā)生在具有較大基面滑移或柱面滑移施密特因子（Schmid factor, SF）的α晶粒中，孿晶發(fā)生在柱面滑移SF不大于0.2的α晶粒中，二者均與最大應(yīng)力保載和保載時(shí)間無(wú)關(guān)（圖1a-1m）。α晶粒中是否發(fā)生孿晶取決于晶粒的結(jié)晶取向和加載條件，一定程度的保載應(yīng)力促進(jìn)可以發(fā)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晶粒的形成，為循環(huán)載荷下位錯(cuò)滑動(dòng)和位錯(cuò)相互作用導(dǎo)致晶粒細(xì)化提供了證據(jù)（圖1n）；觀察到α晶粒中由于孿生而形成亞晶粒的過(guò)程，表明孿晶也是循環(huán)載荷下晶粒細(xì)化的一個(gè)主要原因（圖1o）。③疲勞微裂紋傾向萌生在具有較大柱面滑移SF的α晶粒的柱面，而保載疲勞微裂紋傾向起源于具有較大基面滑移SF的α晶粒的基面或c軸與施加軸向應(yīng)力之間具有小角度的α晶粒邊界。一定程度的最大應(yīng)力保載增加了塑性應(yīng)變的積累，有利于脆性微裂紋的形成，但如果保載應(yīng)力高或保載時(shí)間長(zhǎng)，保載引起的塑性應(yīng)變會(huì)抑制脆性微裂紋的增長(zhǎng)，并誘導(dǎo)延性破壞模式。④由于保載應(yīng)力和保載時(shí)間不同，保載疲勞可以呈現(xiàn)三種模式：疲勞失效（即脆性裂紋萌生和增長(zhǎng)主導(dǎo)的失效），延性失效（塑性變形主導(dǎo)的失效）和混合失效（脆性裂紋萌生和增長(zhǎng)以及塑性變形共同主導(dǎo)的失效）。對(duì)于延性失效或混合失效，不能通過(guò)傳統(tǒng)的裂紋萌生和擴(kuò)展速率有效預(yù)測(cè)疲勞壽命。

圖1 a-f: 單滑移系開動(dòng)情況. g-l: 多滑移系開動(dòng)情況. m: c軸與施加軸向應(yīng)力之間夾角和柱面滑移SF.

n: 晶粒內(nèi)取向差變化. o: 孿晶和亞晶粒形成.