【儀表網 研發快訊】 近日，上海科技大學創意與藝術學院智造系統工程中心(CASE)張振波課題組在金屬材料領域核心期刊Acta Materialia上發表了題為“On the origin of grain boundary α phase mediated strain localization and crack initiation in metastable β titanium alloy”的研究論文，揭示了增材制造亞穩β鈦合金中，晶界α相誘導的微觀應變局域化與氫致裂紋萌生機制，為增材制造高強鈦合金在深海裝備等臨氫環境下的使役性能優化提供了重要理論依據。
鈦合金具有高比強度和耐腐蝕等優點，是航空航天與深海等重大裝備制造領域的關鍵結構材料。然而，在利用增材制造技術制備的亞穩β鈦合金中，α相易于在晶界優先析出形成連續的晶界α相，是影響合金力學性能的關鍵因素之一。因此，建立晶界α相與合金在外加載荷條件下應變局域化程度的定量關系，對于調控增材制造鈦合金微觀組織優化使役性能、實現使役壽命的可靠預測具有重要意義。
本研究針對增材制造新型高強鈦合金(Ti-3Al-6Fe-6V-2Zr)，利用原位高分辨數字圖像相關(HR-DIC)技術結合跨尺度組織表征，定量表征了合金在外加載荷條件下的微觀應變演化過程，獲得了含氫環境下與晶界α相關聯的微觀應變局域化和裂紋萌生與擴展行為。結果表明，在塑性變形早期，與晶界α相近鄰的析出相貧化區(PFZ)產生了高達晶內應變兩個數量級的微觀局域化應變(圖1)；在含氫環境下，晶界α相在氫和β相晶格膨脹導致的高應力共同作用下發生氫致裂紋萌生，該裂紋與析出相貧化區內的高度局域化位錯滑移交互作用，導致裂紋快速擴展，使合金塑性和韌性顯著降低(圖2)。
圖1 增材制造Ti3662合金中晶界α相導致的微觀應變局域化和裂紋萌生
圖2 增材制造Ti3662合金晶界α相和氫致裂紋萌生擴展行為
該工作揭示了亞穩β鈦合金中連續晶界α相引起的應變集中和氫致裂紋萌生和擴展機制，為理解增材制造亞穩β鈦合金在深海臨氫環境的使役行為、建立微觀組織設計優化準則奠定了理論基礎。
上海科技大學博士研究生常家強為論文第一作者，上海科技大學創意與藝術學院張振波教授與中國科學院金屬研究所馬英杰研究員為共同通訊作者，上海科技大學為第一完成單位。
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