華東理工團(tuán)隊(duì)打造珍珠鈦 抗疲勞裂紋萌生擴(kuò)展雙突破

疲勞失效始終是金屬結(jié)構(gòu)部件最關(guān)鍵的失效模式。目前大多數(shù)提升疲勞抗性的微觀結(jié)構(gòu)策略僅能有效抑制裂紋萌生或擴(kuò)展，往往難以協(xié)同實(shí)現(xiàn)兩者。

本研究通過(guò)設(shè)計(jì)一種梯度結(jié)構(gòu)解決了這一難題：該結(jié)構(gòu)在純鈦表面構(gòu)建了類(lèi)珍珠層納米層狀組織，并輔以內(nèi)部多變體孿晶結(jié)構(gòu)。

納米層狀層中高度規(guī)整的晶界在循環(huán)載荷下呈現(xiàn)極化協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（抑制層狀增厚和微觀結(jié)構(gòu)軟化），從而延緩表面粗糙化及裂紋萌生。

納米層狀晶粒沿水平大角度晶界的解理導(dǎo)致疲勞裂紋偏轉(zhuǎn)頻率異常升高（≈1.7×103次/毫米），使裂紋擴(kuò)展速率顯著降低（比均質(zhì)粗晶材料低2個(gè)數(shù)量級(jí)）。這些表面納米層狀結(jié)構(gòu)的特性，結(jié)合亞表層孿晶結(jié)構(gòu)激活的多重韌化機(jī)制，使得其疲勞抗性遠(yuǎn)超均質(zhì)及等軸晶梯度結(jié)構(gòu)。

本研究提出的表面納米層狀梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為開(kāi)發(fā)高抗疲勞合金提供了可規(guī)?；?、可持續(xù)的策略。

2. 文章亮點(diǎn)

1. 梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：表面納米層狀與內(nèi)部孿晶協(xié)同增效

通過(guò)超聲表面滾壓技術(shù)（USRP）在純鈦表面構(gòu)建<200μm的類(lèi)珍珠層納米層狀結(jié)構(gòu)（平均厚度210nm），結(jié)合亞表層多變體孿晶，實(shí)現(xiàn)同步抑制疲勞裂紋萌生（延緩表面粗化）和擴(kuò)展（裂紋偏轉(zhuǎn)頻率達(dá)≈1.7×103次/毫米），疲勞壽命提升10-100倍。

2. 納米層狀晶界的極化協(xié)調(diào)機(jī)制

水平大角度晶界（HAGBs）與垂直低角度晶界（LAGBs）的幾何排列，通過(guò)循環(huán)載荷下的極化協(xié)調(diào)和LAGBs“犧牲性”湮滅，顯著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（抑制晶粒增厚和軟化），表面層晶粒厚度循環(huán)后僅增28%，遠(yuǎn)低于等軸晶（3-10倍）。

3. 仿生裂紋偏轉(zhuǎn)與多重韌化

納米層狀結(jié)構(gòu)引發(fā)類(lèi)珍珠層階梯式裂紋路徑（80%沿晶斷裂），90°偏轉(zhuǎn)角使有效應(yīng)力強(qiáng)度因子降低44%；結(jié)合孿晶層的裂紋鈍化/分支機(jī)制，裂紋擴(kuò)展速率比粗晶材料低2個(gè)數(shù)量級(jí)，突破傳統(tǒng)高強(qiáng)材料“強(qiáng)-韌”矛盾。

3. 研究背景

金屬結(jié)構(gòu)部件的失效約90%歸因于循環(huán)載荷導(dǎo)致的疲勞斷裂，這在航空航天、交通運(yùn)輸、電站和船舶等安全關(guān)鍵領(lǐng)域尤為突出。

疲勞失效分為兩個(gè)階段：(a) 位錯(cuò)等晶格缺陷積累引發(fā)應(yīng)變局域化，最終導(dǎo)致局部區(qū)域裂紋萌生；(b) 裂紋在應(yīng)力場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下擴(kuò)展，該過(guò)程受相組成、界面特性和層錯(cuò)能等微觀結(jié)構(gòu)因素影響。理想的抗疲勞策略需同時(shí)抑制裂紋萌生與擴(kuò)展，但現(xiàn)有方法往往僅針對(duì)其一：強(qiáng)化材料（如引入位錯(cuò)阻擋界面/析出相）雖能抑制裂紋萌生，卻會(huì)限制位錯(cuò)滑移對(duì)裂紋的鈍化能力，反而加速擴(kuò)展；而通過(guò)裂紋偏轉(zhuǎn)、分支等"外在"韌化機(jī)制調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，僅能延緩裂紋擴(kuò)展而對(duì)萌生無(wú)效。

近年提出的梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如梯度晶粒尺寸或?qū)\晶密度）雖能部分協(xié)調(diào)這一矛盾——表層細(xì)晶提供高強(qiáng)度抑制萌生，內(nèi)部粗晶通過(guò)位錯(cuò)容納能力延緩擴(kuò)展，但仍存在兩大局限：(1) 循環(huán)載荷下表層細(xì)晶異常長(zhǎng)大，促進(jìn)應(yīng)變局域化和裂紋萌生；(2) 高強(qiáng)表層損傷容限差，裂紋一旦萌生會(huì)快速擴(kuò)展至與表層厚度（通常200-800μm）相當(dāng)?shù)某叽?。短裂紋擴(kuò)展階段在低/高周疲勞中分別占?jí)勖?0%和40%，因此設(shè)計(jì)兼具機(jī)械穩(wěn)定性和抗裂紋擴(kuò)展能力的表層結(jié)構(gòu)成為梯度材料性能突破的關(guān)鍵。

本研究通過(guò)超聲表面滾壓技術(shù)（USRP）在純鈦中構(gòu)建梯度結(jié)構(gòu)：表層為<200μm的類(lèi)珍珠層納米層狀組織（平均厚度210nm），亞表層為多變體孿晶結(jié)構(gòu)。納米層中高度規(guī)整的晶界通過(guò)極化協(xié)調(diào)循環(huán)載荷，抑制層狀增厚和微觀結(jié)構(gòu)軟化，從而延緩表面粗糙化與裂紋萌生；水平大角度晶界解理導(dǎo)致裂紋偏轉(zhuǎn)頻率異常升高（≈1.7×103次/毫米），使擴(kuò)展速率比粗晶材料低2個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)合亞表層孿晶激活的多重韌化機(jī)制，該梯度結(jié)構(gòu)的疲勞壽命比均質(zhì)/等軸晶梯度結(jié)構(gòu)提升10-100倍，為高抗疲勞合金設(shè)計(jì)提供了可規(guī)?；瘧?yīng)用的解決方案。

4. 圖文解析

圖1. 表面納米層狀梯度鈦的微觀結(jié)構(gòu)

a 超聲表面滾壓處理示意圖，該處理在表層形成類(lèi)珍珠層納米層狀（即“磚-泥”結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)，配圖為Nucula sulcata貝殼及珍珠典型微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像。b 電子通道襯度（ECC）圖像顯示從表面至深度≈500μm的梯度結(jié)構(gòu)縱向視圖。c 掃描透射電子顯微鏡明場(chǎng)（STEM-BF）圖像，取自b中大致標(biāo)記區(qū)域，展示深度≈50μm處的納米層狀結(jié)構(gòu)，部分晶界取向差角已標(biāo)注。d 電子背散射衍射（EBSD）-反極圖（IPF）疊加圖像質(zhì)量（IQ）圖，對(duì)應(yīng)b中虛線矩形框區(qū)域。e 表層（亞表面深度<100μm）納米層狀晶粒長(zhǎng)徑比分布。f 納米層狀區(qū)域（亞表面深度≈50μm）垂直與水平晶界的取向差角分布。g EBSD界面圖，展示d中虛線矩形框區(qū)域的亞表層機(jī)械孿晶類(lèi)型。圖2. 表面納米層狀梯度鈦的疲勞抗性

a 表面納米層狀梯度鈦與均質(zhì)粗晶（CG）鈦及梯度等軸晶（GEG）鈦的應(yīng)力幅-壽命曲線對(duì)比。b 疲勞裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）隨應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍（ΔK）的變化曲線。c ΔK=5 MPa·m^0.5時(shí)，不同微觀結(jié)構(gòu)純鈦的疲勞裂紋擴(kuò)展速率與屈服強(qiáng)度關(guān)系對(duì)比，數(shù)據(jù)包括均質(zhì)CG/超細(xì)晶（UFG）結(jié)構(gòu)12,59-63及本工作的納米層狀結(jié)構(gòu)。圖3. 疲勞載荷下表面納米層狀結(jié)構(gòu)的微觀演化

a,b 疲勞測(cè)試前（a）后（b）納米層狀結(jié)構(gòu)的STEM-BF圖像（應(yīng)力幅216 MPa，1.4×10^5次循環(huán)）。c 疲勞前后納米層狀晶粒厚度與長(zhǎng)度分布統(tǒng)計(jì)。d,e 疲勞前后納米層狀區(qū)域的EBSD極圖，顯示織構(gòu)基本不變。f-j 原子模擬展示循環(huán)載荷下垂直低角度晶界（LAGBs）的動(dòng)態(tài)演化：f,j 疲勞前后界面構(gòu)型（藍(lán)色為HCP原子，紅色為FCC原子，青色為非結(jié)構(gòu)原子）；g-i 虛線框區(qū)域LAGBs的湮滅過(guò)程（箭頭為位錯(cuò)滑移路徑）。圖4. 表面納米層狀梯度鈦的疲勞裂紋路徑特征

a 含單邊缺口樣品的疲勞加載示意圖。b 納米層狀層中階梯狀裂紋路徑（插圖：珍珠的類(lèi)似裂紋行為，改編自參考文獻(xiàn)65，CC BY 4.0）。c 二次電子（SE）圖像及d 對(duì)應(yīng)EBSD-IPF+IQ圖，展示沿納米層狀晶界的沿晶開(kāi)裂。e STEM-BF圖像顯示裂紋偏轉(zhuǎn)細(xì)節(jié)。f EBSD-IPF圖展示孿晶密集區(qū)的裂紋路徑。g,h SE及ECC圖像顯示孿晶界處的裂紋鈍化。i 不同疲勞階段的抗裂紋機(jī)制示意圖。

5. 文章結(jié)論

傳統(tǒng)梯度等軸晶結(jié)構(gòu)雖在某些情況下能提升疲勞抗性，但其表面強(qiáng)化層存在機(jī)械不穩(wěn)定性和較差的損傷容限。本研究通過(guò)構(gòu)建約200μm厚的類(lèi)珍珠層表面納米層狀結(jié)構(gòu)，成功解決了這一缺陷。與超細(xì)等軸晶結(jié)構(gòu)不同，這種表面納米層狀結(jié)構(gòu)展現(xiàn)抗晶粒粗化穩(wěn)定性，從而有效抑制了表面塑性變形——這對(duì)抵抗裂紋萌生至關(guān)重要。由于界面解離引發(fā)的超高頻率疲勞裂紋偏轉(zhuǎn)（≈1.7×103次/毫米），該表層的裂紋擴(kuò)展速率顯著降低（降幅達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)）。這些結(jié)果表明，單一微觀結(jié)構(gòu)組分可同時(shí)抑制疲勞裂紋萌生和早期擴(kuò)展。結(jié)合內(nèi)部梯度孿晶結(jié)構(gòu)激活的多重韌化機(jī)制，該材料的整體疲勞抗性顯著優(yōu)于均質(zhì)結(jié)構(gòu)及其他無(wú)納米層狀結(jié)構(gòu)的梯度鈦材料（疲勞壽命提升高達(dá)100倍）。