《Nature》子刊：合金化对钛中间歇滑动及驻留疲劳的影响！

驻留疲劳，是指钛合金在屈服应力低至60%的情况下，疲劳寿命降低，几起不可控的喷气式发动机故障均与此有关。长期以来，人们一直观察到位错滑移是一种断断续续的尺度桥接现象，与地震中看到的类似，但只是在纳米尺度上。这导致人们猜测，大的应力爆发可能会促进裂纹扩展。

在此，来自英国帝国理工学院的Felicity F. Worsnop & David Dye等研究者，使用高能X射线衍射显微镜在Ti-7Al-O合金中观察到单个晶粒尺度上的这种应力爆发。相关论文以题为“The influence of alloying on slip intermittency and the implications for dwell fatigue in titanium”发表在Nature Communications上。

自从最早的位错原位TEM观测以来，位错运动一直被观察到是间歇性的，在活动爆发之间有很长的等待时间，最近被称为位错雪崩。相比之下，大多数时变塑性的宏观现象学模型都是Zener之后的粘塑性、弹簧和阻尼模型。单晶组合到微结构的晶体塑性有限元模型通常也遵循这种方法，但离散位错塑性方法允许对单个位错的间歇性运动进行建模，从而能够更真实地处理诸如滑移带与晶界的相互作用等现象。然而，位错雪崩对该领域材料性能的影响尚未阐明。迄今为止，它一直是一个有趣的科学现象，但没有明显的应用。

冷停留疲劳是六方α-钛的一种现象，在较高的应力下，即使在应力大大低于屈服应力时，也会导致循环寿命减少超过一个数量级。对滞留疲劳的新理解是，它是滑移带活动的“软”取向的结果，滑移带在加工继承的共同取向区域(称为宏观区域)中穿过长易滑移路径，然后撞击“硬”取向的滑移定向不好的晶粒，进而导致应力局部化，形成裂纹。α2 Ti3Al是六方α-Ti的上层结构，因此时效是有害的，因为位错需要成对运动，从而抑制交叉滑移和促进滑移带的形成。因此，高的Aleq含量也是有害的，这就是为什么第一次在Ti-811和IMI685等合金中观察到停留疲劳。然而，氧在驻留疲劳中的作用还不是很明确；O在钛合金中是一种间质固溶体增强剂，但超过2500 ppmw左右的O添加量不利于延展性和疲劳寿命。同时，在O含量较低的情况下，最近的原位TEM观测和DFT模拟表明，O原子被推离了移动位错的路径，形成了无障碍的通道，而且O的添加导致了非常粘性的、高度固定的位错运动。

高能X射线衍射显微镜(HEDM)是近十年发展起来的一项技术，它可以通过单个晶粒的衍射光斑的反投影和反褶积来重建O(1 mm3)体积中O(50 μm)晶粒的位置和弹性应变状态。在研究变形材料的再结晶和晶粒平均应力张量方面，主要的应用是结合层析成像方法的近场晶粒形状重建。该技术产生大量的数据，这本身就是应用的一个重大障碍。一个特殊的问题是在疲劳和裂纹萌生方面的应用，因为与工程构件的应力体积相比，所研究的体积较小。实验上，利用微柱压缩和声发射光谱研究了颗粒内滑移的间歇性。为了阐明位错雪崩在工程环境中的含义，需要一种能够捕捉真实微观结构行为的介观方法。

在这项工作中，研究者转向解决Al含量(α2 Ti3Al形成)和间隙O及其在停留疲劳中的作用的问题，这是合金设计者的关键问题，通过使用HEDM研究它们对微观组织(而不是微柱)内应力下降的影响。研究表明，有序Ti3Al沉淀的有害影响是增加了与滑移局部化相关的罕见的pri 和bas 滑移爆发的量级。相比之下，微量O间质的添加是有益的，它降低了滑移爆发的量级，并促进了较小事件的更高频率。这进一步证明了在钛合金抗疲劳工程中应避免形成容易发生基面滑移的长路径。（文：水生）

图 1 Ti-7Al-O型合金的TEM和力学表征。

图2 应力松弛后位错构型的STEM图像。

图3 从原位蠕变试验得到宏观和颗粒级加载历史。

图4 ff-HEDM数据的统计分析。

图5 模型合金的显微组织。