近日，上?？萍即髮W(xué)創(chuàng)意與藝術(shù)學(xué)院智造系統(tǒng)工程中心（CASE）張振波課題組在金屬材料領(lǐng)域核心期刊Acta Materialia上發(fā)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(wěn)β鈦合金中，晶界α相誘導(dǎo)的微觀(guān)應(yīng)變局域化與氫致裂紋萌生機(jī)制，為增材制造高強(qiáng)鈦合金在深海裝備等臨氫環(huán)境下的使役性能優(yōu)化提供了重要理論依據(jù)。

鈦合金具有高比強(qiáng)度和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天與深海等重大裝備制造領(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。然而，在利用增材制造技術(shù)制備的亞穩(wěn)β鈦合金中，α相易于在晶界優(yōu)先析出形成連續(xù)的晶界α相，是影響合金力學(xué)性能的關(guān)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(yīng)變局域化程度的定量關(guān)系，對(duì)于調(diào)控增材制造鈦合金微觀(guān)組織優(yōu)化使役性能、實(shí)現(xiàn)使役壽命的可靠預(yù)測(cè)具有重要意義。

本研究針對(duì)增材制造新型高強(qiáng)鈦合金（Ti-3Al-6Fe-6V-2Zr），利用原位高分辨數(shù)字圖像相關(guān)（HR-DIC）技術(shù)結(jié)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(guān)應(yīng)變演化過(guò)程，獲得了含氫環(huán)境下與晶界α相關(guān)聯(lián)的微觀(guān)應(yīng)變局域化和裂紋萌生與擴(kuò)展行為。結(jié)果表明，在塑性變形早期，與晶界α相近鄰的析出相貧化區(qū)（PFZ）產(chǎn)生了高達(dá)晶內(nèi)應(yīng)變兩個(gè)數(shù)量級(jí)的微觀(guān)局域化應(yīng)變（圖1）；在含氫環(huán)境下，晶界α相在氫和β相晶格膨脹導(dǎo)致的高應(yīng)力共同作用下發(fā)生氫致裂紋萌生，該裂紋與析出相貧化區(qū)內(nèi)的高度局域化位錯(cuò)滑移交互作用，導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)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(dǎo)致的微觀(guān)應(yīng)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(kuò)展行為

該工作揭示了亞穩(wěn)β鈦合金中連續(xù)晶界α相引起的應(yīng)變集中和氫致裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)制，為理解增材制造亞穩(wěn)β鈦合金在深海臨氫環(huán)境的使役行為、建立微觀(guān)組織設(shè)計(jì)優(yōu)化準(zhǔn)則奠定了理論基礎(chǔ)。

上?？萍即髮W(xué)博士研究生常家強(qiáng)為論文第一作者，上?？萍即髮W(xué)創(chuàng)意與藝術(shù)學(xué)院張振波教授與中國(guó)科學(xué)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(xué)為第一完成單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121602