亚稳β钛合金是航空航天和生物医疗等领域的关键材料，然而，在β晶界上优先析出的粗大连续晶界α相（αGB），会消耗其周围区域的α稳定元素，形成软质的无沉淀析出带（PFZ），PFZs在目前的观点都被普遍认为会严重损害合金的延展性和疲劳寿命，且环境因素（如氢）对αGB本身行为的影响长期被忽视。

近日，《Acta Materialia》上在线发表了一篇题为“On the origin of grain boundary α phase mediated strain localization and crack initiation in metastable β titanium alloy”的研究论文（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121602）。在该论文中，团队通过近年来被广泛应用的激光定向能量沉积（LDED）技术制备了Ti-3Al-6Fe-6V-2Zr合金，其中αGB相不仅通过诱发其两侧的PFZ导致剧烈的应变集中，其自身在加工过程中吸附的氢作用下还会发生脆性开裂，这两种机制的协同作用，是导致该系列高性能钛合金提前失效的关键，为设计抗损伤的微观结构提供了全新视角。

【核心内容】

团队通过LDED制备出Ti-3Al-6Fe-6V-2Zr合金后采用引入氢的机械抛光制备样品（CH样品），作为对照的则是无氢离子抛光（NonH样品），通过对比这两组样品的原位拉伸行为、应变分布和裂纹萌生过程，系统对比了氢脆和PFZs应变局域化两种失效机制的贡献。

图形摘要

【研究成果】

① 微观结构特征与PFZs的普遍存在

Ti3662合金经过时效处理后形成了硬相-软带-硬基体的微观结构，在β晶界上形成了粗大的连续αGB片层，其平均厚度约为晶内α相的三倍，并在两侧形成了清晰可见的PFZ。

增材制造Ti-3Al-6Fe-6V-2Zr (Ti3662) 合金的微观结构表征与晶界α相（αGB）及晶内α相厚度分布

CH-Ti3662样品中晶界α相裂纹的纵向截面分析

② 氢致αGB脆性开裂的直接证据

在CH-Ti3662样品中，塑性变形初期（~3.1%应变），裂纹便在αGB片层中大量出现，且裂纹扩展方向与αGB内的滑移迹线不平行，表明是脆性开裂，裂纹在αGB中萌生后，迅速转入相邻的PFZ中扩展，形成了典型的沿晶/沿PFZ断裂路径。

CH-Ti3662中原位拉伸过程中应变局部化与晶界α相早期开裂的微观结构演化

CH-Ti3662样品中，晶界α相内微裂纹的形核、扩展及其与相邻沉淀物贫化区（PFZ）内应变局部化的相互作用

CH-Ti3662样品中，PFZ内应变局部化带与晶界α相裂纹相互作用的详细HR-DIC与二次电子（SE）图像对比分析

③ PFZs是应变局域化与裂纹萌生的核心区域

在没有氢脆影响的NonH样品中，PFZs依然是应变局域化和后续裂纹萌生的唯一位置，裂纹或在PFZs内因极端应变直接形核，或从PFZs内的制造缺陷（如孔洞）处起源，这表明，PFZs的“软”特性是应变局域化的根本原因。

基于高分辨率数字图像相关技术（HR-DIC）的CH-Ti3662样品应变场图，揭示塑性变形初期PFZ与晶界α相处的严重应变局部化及早期开裂

NonH-Ti3662样品中裂纹形核机制分析：与PFZ内制造缺陷（孔隙）相互作用及PFZ内高应变局部化直接导致开裂

CH-Ti3662与NonH-Ti3662样品在拉伸过程中，晶内滑移与PFZ局部化滑移带数量的统计分析

④ 晶体学与滑移系统主导的应变局域化机制

当相邻β基体中具有高施密特因子的滑移系，且其滑移面与PFZ/αGB界面大致平行时，位错将优先且大量地在该PFZ内滑移，这种滑移的启动直接导致了PFZ内高达基体应变两个数量级的局部剪切应变，β晶粒的尺寸和界面形态共同决定了滑移带的长度和应变局域化的严重程度。

在无氢环境制备的样品（NonH-Ti3662）中原位拉伸过程中的微观结构演化，显示无晶界α相早期开裂及PFZ内的应变局部化

NonH-Ti3662样品的原位HR-DIC应变场图

PFZ内应变局部化的晶体学与形貌学影响因素分析：β基体滑移系施密特因子及与晶界α相的相对取向关系

⑤ 氢吸附改变相结构并诱发αGB开裂的机理

氢大量固溶于β相使其膨胀，并对被包围的αGB产生强烈的三向压应力，导致其脆化，因此机械抛光导致β相衍射峰向低角度移动，而α相峰向高角度移动，统计发现，开裂的αGB其c轴往往近似平行于拉伸方向，且难以启动〈c+a〉滑移，进一步加剧了开裂倾向。

氢含量分析及同步辐射X射线衍射结果，揭示含氢环境制备导致β相晶格膨胀与α相晶格收缩

CH-Ti3662样品中典型晶界α相裂纹的晶体学分析，表明裂纹沿高正应力面扩展，与特定滑移面无关

【总结与展望】

这项研究揭示了亚稳β钛合金中由晶界α相介导的失效机制，不仅深化了对钛合金环境敏感断裂机理的理解，更重要的是有望从根本上提升这类高性能钛合金在苛刻环境下的可靠性，为设计下一代高损伤容限的增材制造钛合金部件奠定了坚实的科学基础。