近α钛合金因其优异的高温强度和热稳定性而广泛应用于航空航天领域，特别是在压缩机盘等关键部件中。然而，它们的使用寿命通常受到驻留疲劳的限制，驻留疲劳是一种在应力保持期间触发的与时间相关的故障机制，这会带来巨大的可靠性风险。目前已有大量研究证实驻留疲劳主要与（0001）基面滑移和孪晶变形的协同作用相关，但微观位错结构如何在长时间应力保持下演化为裂纹的前驱体仍缺乏直接证据。驻留疲劳对于构件长期服役的稳定性而言是不利的，给近α钛合金的设计与寿命预测带来了巨大挑战。

针对这一问题，西北工业大学凝固技术全国重点实验室的研究团队通过跨尺度的表征手段揭示了基面滑移主导的局部应力集中以及位错类型转变等演变的全过程，并提出了提升抗驻留疲劳性能的微观结构设计思路，近期，国际期刊《International Journal of Plasticity》在线发表了该团队的这项研究成果。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104477

【核心内容】

该研究结合原位驻留疲劳测试、高分辨率位错显微镜和分子动力学（MD）模拟，直接揭示了基底位错结构如何发展成裂纹前驱体。并证实了基面〈a〉 滑移的同时激活会诱导明显的晶内晶格旋转与应力集中，从而加速损伤积累。相反，柱面和锥面滑移系的共激活将变形带分割，重新分配应变，并显著提高抗驻留疲劳性能。

图形摘要

多尺度揭示钛合金驻留疲劳损伤机制

【研究方法】

研究团队以Ti60（名义成分为Ti-5.7Al-4Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.4Si-0.4Nb-1Ta-0.05C wt.%）近α钛合金为研究对象，用于进行原位疲劳测试的试样取样方向有三种，分别是沿轧制方向（RD）、45°方向及TD方向。团队整合原位驻留疲劳试验、EBSD与HR-TEM以及MD模拟，多尺度揭示了基面滑移位错结构如何快速演化为裂纹前驱体，并厘清晶界特征对位错传递与应力重分布的调控作用。

原位与非原位疲劳实验策略对比

【研究成果】

① 织构与寿命的强相关性

45°样品因α相c轴与加载方向接近，基面施密特因子最高，最易激活基面滑移并形成长程滑移带，而RD与TD样品更多激活<c+a>和柱面滑移。

Ti60合金显微组织与晶体结构表征

晶体取向对疲劳寿命的显著影响

② 位错调节模式从“单一”到“多滑移”演化

短寿命样品呈现长程基面滑移带的特征，密集基面位错阵列缠结，塑性变形高度集中。中寿命样品出现基面+柱面共滑移并伴<c+a>位错，交错形成不动结点，有效分割长程滑移带，促进应力均匀分布。长寿命样品多滑移交错，基面滑迹破碎，<c+a>位错密布于棱锥面内，位错结构呈高度复杂化和多向性，显著延缓裂纹萌生。

不同疲劳寿命下的位错构型演化

③ 基面滑移主导裂纹萌生路径

FIB定点取样显示，45°试样裂纹起始晶粒内，存在连续基面滑移带且<c+a>位错稀少，应变难以重分布，KAM映射揭示裂纹正位于基面滑移终止处。在高分辨透射下可见基面滑移痕迹与裂纹面几乎平行，位错呈孤立或局部弯曲状态。与高寿命样品的多滑移交错、位错网络相比，这种“单一滑移模式”缺乏几何冗余，极易导致局域化应力集中并触发早期裂纹萌生。

基底滑移带诱导裂纹萌生的微观证据

④ 晶界特征对基面滑移传递与应力重分布的调控

• 小角度晶界(LAGBs)：菊池花样图显示晶粒取向差极小，基面位错在晶界几乎无阻传递，形成长程滑移带和密集堆积，缺乏交叉滑移，导致单一应力通道累积。

• 大角度晶界(HAGBs)：取向偏差~60°的大角度界面阻断基面滑移，界面应力转移触发邻晶<c+a>位错激活，滑移带被分段并重分布应力，延缓裂纹萌生。

低角度晶界上的滑移连续性机制

大角度晶界对滑移传输的阻碍效应

晶界特性对滑移路径的调控机制

⑤ 基面位错结构重构：刃型向螺型转变

原位TEM和MD模拟发现驻留载荷下基面位错由刃型逐渐转化为螺型，反映出了一种“应力适应”机制，即长时间应力保持使位错堆积前方剪切应力升高，当刃型滑移不足以继续传播时，局部晶格畸变激活螺型位错以延展滑移路径，这一转变伴随原子层错、爬移与交叉滑移过程，为裂纹前驱体提供微观条件。

刃型-螺型位错转变的原子尺度证据

分子动力学模拟的位错结构演化序列

【总结与展望】

该研究解释了连续多变体基面滑移→应力局域化→裂纹前驱体的演化机制，以及晶界和位错类型转变在其中的关键调节作用，该成果为近α钛合金压气机盘等关键构件的安全设计提供了全新思路，也为高温服役结构材料抗驻留疲劳设计提供了可操作的微观机制依据。