編輯推薦：通過(guò)建立缺陷發(fā)展與組織演變之間的聯(lián)系，研究了晶粒尺寸對(duì)純鈦板韌脆斷裂行為的影響。試樣破壞過(guò)程中觀察到孿晶碎裂和由孿晶誘導(dǎo)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(TDRX)形成的細(xì)小動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒（DRXed）。孔洞的形核是由于DRXed晶粒之間存在較大的取向差所致。與此同時(shí)，TDRX區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)伴隨著空洞的增長(zhǎng)。隨著晶粒尺寸的增大，TDRX現(xiàn)象逐漸消失。因此，解理裂紋在長(zhǎng)晶晶格旋轉(zhuǎn)后擴(kuò)展，在粗晶試樣中表現(xiàn)為脆性的穿晶斷裂。

鈦及其合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕好等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。當(dāng)試樣幾何尺寸接近材料的本征晶粒尺寸時(shí)，微零件的變形和斷裂行為表現(xiàn)出強(qiáng)烈的晶粒尺寸依賴性。考慮到提高微細(xì)鈦合金制品制造可靠性的要求，研究晶粒尺寸依賴性顯微組織對(duì)斷裂機(jī)理的影響是必不可少的。鈦合金在宏觀上通常以明顯的韌性斷裂方式失效。在大多數(shù)研究中，缺陷主要是通過(guò)斷口形貌表征來(lái)確定。然而確定不同斷裂特征下鈦合金斷裂機(jī)理的微觀組織演變規(guī)律至關(guān)重要。不同晶粒尺寸鈦板中與韌脆性斷裂行為所對(duì)應(yīng)的詳細(xì)缺陷演變暫無(wú)詳細(xì)的研究，韌性-脆性斷裂與不同微觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系尚未得到徹底研究。需要對(duì)缺陷發(fā)展和晶體學(xué)微觀結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行系統(tǒng)研究。

上海交通大學(xué)研究者采用同步輻射X-CT聯(lián)合電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)研究了純鈦板晶粒尺寸依賴性斷裂行為。相關(guān)論文以題為“Grain-size-dependent ductile-to-brittle fracture mechanism of titanium sheets”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114877

圖1(a)CP-Ti試樣的拉伸真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。(c)鈦片斷口SEM圖。(d)拉伸試樣在不同局部應(yīng)變下內(nèi)部損傷缺陷的三維重建。

隨著拉伸變形量的增加，變形局部化發(fā)生在縮頸區(qū)域，同時(shí)，缺陷數(shù)量和體積增加。隨后，局部出現(xiàn)斷裂的試樣中，缺陷密度和體積增加更快。在圖2(a, b)中可以觀察到缺陷數(shù)量和體積的加速增加。

圖2試樣中隨局部拉伸應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)缺陷的 (a)密度，(b)平均體積，(c)球度值，(d)體積分?jǐn)?shù)的演化。(e)不同晶粒尺寸的CP-Ti試樣中典型缺陷的幾何形狀變化。

這一現(xiàn)象符合典型的韌性斷裂行為。缺陷體積分?jǐn)?shù)的加速是由相鄰空洞的合并引起的。當(dāng)晶粒尺寸增加到104μm時(shí)，缺陷體積分?jǐn)?shù)以相似的速度增加，直至發(fā)生宏觀斷裂，這是由于裂紋沿特定解理方向快速擴(kuò)展所致。

圖3 (a)晶粒尺寸為27 μm的試樣隨局部應(yīng)變?cè)龃蟮奈⒂^組織演變。(b)試樣經(jīng)局部1.36應(yīng)變后，空洞形核周圍的反極圖(IPF)圖和(c)微觀組織{0001}極圖。(d)圖3(b-ii)中孔洞附近晶粒沿原點(diǎn)θ順時(shí)針?lè)较虻娜∠蚱钭兓?e)拉伸試樣孔洞并聚周圍顯微組織的KAM圖。

變形過(guò)程中孿晶片碎片產(chǎn)生的小角晶界（LAGB）進(jìn)一步促進(jìn)了細(xì)亞晶粒的形成。此外，大角度晶界(HAGB)是由變形過(guò)程中LAGB的定向堆積形成的，最終發(fā)現(xiàn)小的等軸DXRed顆粒占據(jù)了原始顆粒。這一演變的本質(zhì)是孿生誘導(dǎo)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(TDRX)。

圖4拉伸變形過(guò)程中受TDRX過(guò)程影響的韌脆性斷裂行為示意圖。(a)隨著晶粒尺寸的增大，位錯(cuò)累積密度降低，導(dǎo)致孿晶界應(yīng)力集中減少。(b)隨著晶粒尺寸的增大，TDRX現(xiàn)象消失。(c)隨著晶粒尺寸的增大，試樣的斷裂表現(xiàn)為韌-脆性斷裂。

晶粒尺寸為27μm的試樣由于位錯(cuò)滑移活動(dòng)強(qiáng)烈，隨著變形量的增加，堆積位錯(cuò)引起的應(yīng)力集中達(dá)到孿晶強(qiáng)度。因此，孿晶片層發(fā)生破碎，并進(jìn)一步演變?yōu)槎鄠€(gè)晶粒取向相似的亞晶粒。在此之后，許多LAGB通過(guò)定向錯(cuò)誤積累變成HAGB，導(dǎo)致LAGB的比例下降。TDRX處理后，隨著應(yīng)變的增加，這些DRXed晶粒的晶格旋轉(zhuǎn)占主導(dǎo)地位，有助于提高延性。孔洞傾向于在DRXed晶粒之間成核，其取向差較大。隨著塑性變形的繼續(xù)，產(chǎn)生的孔洞以典型的韌性斷裂方式增長(zhǎng)，具有較高的球度。隨著晶粒尺寸的增大，TDRX現(xiàn)象變得不明顯，導(dǎo)致DRXed晶粒減少。結(jié)果表明，裂紋在晶界處萌生，而不是在DRXed晶粒之間形成空洞。當(dāng)微裂紋啟動(dòng)后，脆性穿晶裂紋沿解理方向快速擴(kuò)展。

綜上所述，本文研究了鈦板的缺陷和微觀組織演變，以揭示韌脆性斷裂行為的晶粒尺寸依賴性。X-CT實(shí)驗(yàn)表明，隨著晶粒尺寸的增大，缺陷由細(xì)小的空洞發(fā)展為較大的孤立裂紋。基于EBSD分析，韌脆性斷裂轉(zhuǎn)變是由于隨著晶粒尺寸增大TDRX現(xiàn)象消失所致。晶粒尺寸對(duì)鈦板成形性能的影響機(jī)理表明，可以通過(guò)調(diào)整最佳晶粒尺寸范圍的微觀組織來(lái)設(shè)計(jì)鈦板的成形性能。