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背景简介

在极低应力水平（通常低于屈服应力的25%，疲劳循环次数超过10⁸次）下的疲劳失效过程中，金属试样的失效通常由内部裂纹的扩展引起。此时，在断裂表面的裂纹萌生位置附近可以观察到一个圆形区域，称为“鱼眼”（Fish-Eye, FE）区域，在FE区域内还存在一个“粗糙区”（Rough Area, RA）。在本文研究的Ti-6Al-4V中，扫描电镜观察显示RA内分布着一些小刻面。钛合金在真空与空气中的裂纹萌生与扩展机制存在显著差异，RA的形成与裂纹尖端处的真空环境（内部裂纹存在的典型条件）密切相关。因此，本文通过表征真空和空气环境下裂纹初始扩展阶段对应断裂表面下方的微观结构，深入分析裂纹尖端的变形机制。通过垂直于平均裂纹面的横截面分析发现，环境对内部裂纹扩展过程中的尖端变形过程具有决定性影响。

成果介绍

（1）本文测试的疲劳试样材料是通过包含人工内部缺陷的两块板材扩散键合产生的。对于设置的大气环境试样，则是通过平行于试样轴线的狭窄通道将缺口与试样表面连接起来，并允许环境空气到达内部缺陷实现的。相反的，真空环境试样则是不加工出通道，以保证其真空条件。无论是在真空还是空气环境下，内部缺口试样均因缺口处萌生的裂纹而失效，其疲劳寿命短于相同应力水平下的无缺口试样（图1）。在缺口附近，断裂表面表现出典型的RA，其中包含一些具有晶体学特征的刻面。使用聚焦离子束（FIB）技术处理样品，以便进行分析。在真空中，RA内断裂表面下方可以观察到分布不均的纳米晶粒和若干纳米孔洞的存在（图2），但在空气环境中未观察到。结果表明，在内部裂纹扩展过程中引入空气分子会显著抑制颗粒区与纳米晶粒的形成。

图1 S-N曲线（这项工作中研究的样品用箭头表示）

图2 真空中试样RA内断裂表面以下的微观结构表征（337 MPa, 1.17×10⁸ cycles）：（a）RA断裂表面的扫描电镜（SEM）图像。红色线条标记FIB提取的薄片位置，红色箭头指示提取薄片表面方向；（b）沿（a）中的红线垂直于裂纹面提取的薄片整体透射菊池衍射（TKD）图；（c）和（d）局部TKD图（分别对应b中绿色与蓝色框区域），显示裂纹表面颗粒特征正下方的纳米颗粒层；（e）和（f）分别是纳米晶粒层薄片的背散射电子（BSE）模式下的SEM图像和高角度环形暗场扫描透射电镜图像。两张图像都显示了该纳米结构层中存在纳米孔洞（黑点）

（2）在空气环境中，内部裂纹表面下方可以观察到疲劳辉纹（图3）。晶粒取向对疲劳辉纹的形成具有显著影响：当晶粒表面存在辉纹时，其下方必然伴随孪晶；反之，无辉纹/孪晶的晶粒内裂纹表面粗糙度较高，且裂纹路径局部偏离更显著。

图3 （a）空气环境试样在300 MPa应力下经5.04×10⁵次循环后RA的SEM图像，图中白色虚线标记FIB提取的薄片位置；插图放大显示疲劳辉纹，测得辉纹间距为0.24 µm；薄片平面内无辉纹的区域以绿色圆圈标出；（b）展示（a）中辉纹区域下方提取薄片微观形貌的BSE模式的低电压SEM图；插图进一步放大显示辉纹下方的标记，两标记间距为0.24 µm，与（a）中辉纹间距完全一致，表明每个辉纹下方对应一个标记；裂纹扩展方向为从左至右

（3）空气环境中疲劳辉纹的存在与裂纹表面下方形成的{10-12}拉伸孪晶有关（图4）。当裂纹扩展至FE外部时，真空与空气环境中断口的差异消失。如图5所示，此时裂纹扩展行为趋于一致，环境因素（空气或真空）的影响被裂纹尖端塑性主导机制取代。

图4 图3的薄片中各晶粒的疲劳辉纹存在情况及晶格轴与垂直加载方向夹角的综合分析：（a）低倍TKD图；（b）经精密离子抛光系统二次抛光后的局部高倍TKD图，反极图色标表示与图像垂直方向（假设近似加载方向）平行的晶体学方向；除3个晶粒外，其余表面晶粒均存在疲劳辉纹

图5 （a和c）真空和（b和d）空气环境下试样FE外部区域的断口形貌：（a）和（b）为低倍图像，（c）和（d）为高倍图像

致谢

本文第一作者：Louis Hébrard（INSA Lyon），本文通讯作者：Jean-Yves Buffiere（INSA Lyon）。

本期小编 闵　琳（整理）

董乃健（校对）

程　航（审核）

董乃健（发布）