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Beal R, Kingstedt O. Strain Field Visualization During Fatigue Crack Growth in Microstructure Tailored LPBF Ti-6Al-4V[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2025: 5051-5063.
Beal, Roger, and Owen Kingstedt. "Strain Field Visualization During Fatigue Crack Growth in Microstructure Tailored LPBF Ti-6Al-4V." Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures (2025): 5051-5063. (): .
Beal, R., & Kingstedt, O. (2025). Strain Field Visualization During Fatigue Crack Growth in Microstructure Tailored LPBF Ti-6Al-4V. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 5051-5063., .
背景简介
与传统锻造、铸造等减材制造相比，增材制造（Additive manufacturing, AM）尤其适合制造复杂几何形状的Ti-6Al-4V部件，具有周期短、成本低的优势。其中，激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion, LPBF）技术通过逐层扫描熔化粉末成型零件，该过程会经历极端的热循环：粉末被激光熔化形成高温熔池，初始的α/β相转变为β相，随后因极高的冷却速率转变为马氏体α'相，并形成柱状“原β晶粒”。这种定向散热导致了明显的织构和力学性能各向异性，这是LPBF技术的一个已知缺点。
通过制造后热处理对AM Ti-6Al-4V进行微观结构调控，是实现损伤容限设计的关键。然而，对于何种微观结构具有最佳疲劳性能尚无定论，且LPBF技术产生的独特组织与传统锻件差异显著，这为理解其疲劳行为带来了挑战。先前研究在恒定应力幅载荷下发现，通过一步退火（One-step annealing, OSA）热处理获得的层状组织比锯齿热处理（Sawtooth heat treatment, SHT）产生的近似双态组织具有更优的疲劳性能。本研究旨在填补当前对LPBF Ti-6Al-4V微观结构与应变场如何共同影响其疲劳性能的理解空白。
成果介绍
（1）在恒定应力强度因子范围ΔK下的裂纹扩展速率稳定在约7×10-6mm/cycle，两种热处理（OSA和SHT）后的试样均观察到了裂纹分叉情况，二次裂纹形核并在较短的裂纹扩展长度后停滞（图1 (a)和(b)）。尽管两者的宏观裂纹弯曲度相近，但裂纹路径特征存在明显差异：OSA试样表现出低频、大角度偏转，而SHT试样则呈现高频、小幅度偏转。OSA试样中出现的局部大角度偏转导致了额外的能量耗散（图1），这种累积效应应成为降低裂纹扩展速率并提升疲劳性能的关键机制。
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图1 观察到的名义裂纹行为概述：OSA和SHT试样的(a) 和(b) 裂纹路径的光学显微镜图像，白色箭头表示裂纹分叉的实例；(c) 和(d) 裂纹路径（蓝色）和裂纹路径的导数（红色）；(e) 和(f) 疲劳裂纹长度作为加载周期（黑色）的函数线性增加，以及每条裂纹前进测量增量对应的平均裂纹扩展速率（绿色）
（2）在裂纹扩展过程中，OSA与SHT两种材料均形成塑性区，其理论尺寸分别为225μm和231μm，与α相集束尺寸相当。应变场演化分析（图2、图3）显示，SHT的塑性区尺寸大于OSA，与Dugdale模型预测一致。两种材料均观察到塑性区尺寸、形状及应变分布随裂纹推进呈现显著波动和非对称特性。特别是在OSA最终扩展阶段，应变场集中分布于裂纹上方，这种非对称应变分布与裂纹偏转后朝向最大法向应力面扩展的现象相符，反映了微观结构对局部塑性变形的直接影响。
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图2 OSA试样在不同裂纹长度增量下捕获的累积塑性应变场εyy（20倍放大倍数）
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图3 SHT试样在不同裂纹长度增量下捕获的累积塑性应变场εyy（20倍放大倍数）
（3）通过对OSA热处理试样裂纹路径的分析，发现裂纹扩展主要沿层间界面进行，层状结构能有效促使裂纹偏转。当裂纹遇到α集束时，会沿其边界发生显著偏转，随后回归主扩展路径。应变场演化与施密德因子分析表明，塑性变形优先发生在具有高施密德因子的区域，主要通过最容易启动的棱柱滑移和基底滑移机制进行。裂纹脱离α集束时，应变场会以45°方向分布于层间边界，表明层间界面不仅是裂纹扩展的优选路径，同时对滑移传递的阻碍作用较弱。
（4）断裂表面分析表明，OSA与SHT试样均呈现以解理面为主的形貌，其形成与晶粒c轴相对于加载轴的取向密切相关。主要差异在于：OSA试样解理面上频繁出现疲劳条纹（图4 (c)），对应于局部裂纹方向的频繁偏转，有助于延缓宏观扩展；而SHT试样则更多表现为鳞状特征（图5），这与层间解离导致的加速裂纹扩展相关。此外，OSA中断裂面上出现的更长微裂纹（约17.99μm）相比SHT中更短小的微裂纹（约5.48μm）能吸收更多能量，这些微观特征的差异共同导致了SHT材料疲劳寿命的降低。
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图4 OSA试样在裂纹稳定扩展的不同阶段观察到的断口表面特征概览，其中包括：(a) 小平面（黄色边框区域是多平面区域之一）、撕裂形貌（红色边框区域）和微裂纹（蓝色箭头所示）；(b) 在小平面上观察到的小尺度疲劳条纹，其法线方向指示裂纹扩展方向；(c) 小平面上更大尺度的阶梯状特征，同样指示裂纹扩展方向；(d) 大型微裂纹
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图5 SHT试样在裂纹稳定扩展的不同阶段观察到的断口表面特征概览，其中包括：(a) 小平面（黄色边框区域是多平面区域之一）、撕裂形貌（红色边框区域）和微裂纹（蓝色箭头所示）；(b) 指示层间界面的表面鳞状特征，并在鳞状区域边界处观察到微裂纹；(c) 具有代表性的小型微裂纹，展示了在整个断裂表面观察到的典型形貌
致谢
作者特别感谢代顿大学研究学院（University of Dayton Research Institute, UDRI）的Thad Kacsandy在试样制造和热处理方面提供的帮助，以及空军生命周期管理中心产品支持工程部Debra Naguy女士和Matthew Phillips先生自主材料样品制作和自主Roger Beal的空军STEM+M计划。感谢Hill AFB材料分析实验室的Aaron Erickson和Wes Finneren为这项研究支持和使用了疲劳机和显微镜。作者还要感谢Paulo Perez博士和Brian Van Devener博士在设备操作和培训方面的帮助。本文第一作者：Roger Beal（University of Utah），本文通讯作者：Owen Kingstedt（University of Utah）。
本期小编 本期小编：罗凌颖（整理）
董乃健 （校对）
程 航 （审核）
董乃健 （发布）
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