天津大学 | IJP | 准原位疲劳试验与晶体塑性方法揭示Ti-2Al-2.5Zr钛合金中氢化物在疲劳裂纹萌生中的作用
2026-09-04 14:30:34 作者:Metals Letters 来源:Metals Letters 分享至:

 

原文标题Understanding the role of hydrides in fatigue crack initiation behaviour in Ti-2Al-2.5Zr titanium alloy: Insights from quasi-in-situ fatigue tests and crystal plasticity methods

标题翻译准原位疲劳试验与晶体塑性方法揭示Ti-2Al-2.5Zr钛合金中氢化物在疲劳裂纹萌生中的作用

通讯作者单位天津大学化工学院;天津市化工过程安全与装备技术重点实验室


氢化物会削弱α钛合金的服役可靠性,但其在循环载荷下如何促使裂纹起始仍缺少直接证据。本文以约600 ppm氢的Ti-2Al-2.5Zr为对象,在室温、应变幅1.0%的低周疲劳条件下,结合高分辨率数字图像相关、准原位疲劳观察、SEM/EBSD/FIB表征与晶体塑性有限元模拟,追踪氢化物邻域的变形、裂纹演化与晶体学特征,并据此建立面向自由表面裂纹萌生的机制型疲劳指示参数。



原文共有图18,本文图片选自原文中图1、5、6、10、14、16。



图1:展示试样几何、原始材料织构、电解充氢与后续热处理路线,以及含氢化物试样的SEM、IPF和相分布表征。论文以此确认片状氢化物在钛基体中的分布,并给出后续低周疲劳与局部表征的材料基础。

图5:将高分辨率数字图像相关实验获得的应变场与晶体塑性模拟结果并列比较,并沿指定路径对εxx变化进行对照。该结果支持模型对局部应变分布趋势和峰谷位置的再现,但论文也指出连续介质模型难以完全复现离散滑移带处的绝对应变峰值。

图6:记录未充氢Ti-2Al-2.5Zr在ROI-U1内从50至450周次的裂纹萌生和演化,并标出最终微裂纹的空间分布及典型穿晶、沿晶裂纹。它提供了不含氢化物条件下裂纹周围滑移痕迹和孪晶等损伤特征的对照。

图10:呈现典型沿晶氢化物诱发裂纹R1-C8-E的循环演化、裂纹邻域表面高度分布及沿截线的高度变化,并给出厚度方向形貌。观察表明自由表面相界附近的挤出损伤随循环增强;截面证据显示裂纹在次表层进入钛基体,而非沿氢化物-基体界面持续扩展。

图14:比较代表性裂纹处自由表面相界与最大施密德因子滑移迹线之间的夹角,并统计穿晶和沿晶氢化物诱发裂纹。论文将较小夹角与更易发生界面局部挤出损伤联系起来;该角度因素随后被纳入疲劳指示参数,但结论适用范围限定于本研究的材料和载荷条件。

图16:以R1-C14-A为例展示氢化物与其母相钛晶粒的取向关系,并示意相界面与基面、柱面滑移系的几何关系。该图用于解释为何在该代表性取向下,基面滑移迹线更可能与相界近平行,从而有利于高度局域的剪切与挤出损伤;这是针对该几何构型的机制解释,而非对所有氢化物的普适判定。

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在本文考察的室温低周疲劳条件下,氢化物诱发裂纹主要从自由表面的氢化物-钛基体相界附近起始:硬氢化物与较软基体的变形不相容会强化局部应力集中,并伴随相界挤出损伤;随后裂纹在次表层表现为钛基体内的扩展,而非经典的界面脱粘。作者据此将累积等效塑性应变、应变不相容和相界-滑移迹线夹角整合为FIPm,用于捕捉本研究中表面裂纹萌生位置。该参数目前主要面向含片状氢化物、氢含量不高于约600 ppm的α钛合金室温低周疲劳,不能直接外推至不同氢含量、微观组织、温度、循环制度或内部裂纹情形。

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