创艺学院张振波课题组揭示晶界α相对增材制造钛合金环境断裂的影响机制

近日，上海科技大学创意与艺术学院智造系统工程中心（CASE）张振波课题组在金属材料领域核心期刊Acta Materialia上发表了题为“On the origin of grain boundary α phase mediated strain localization and crack initiation in metastable β titanium alloy”的研究论文，揭示了增材制造亚稳β钛合金中，晶界α相诱导的微观应变局域化与氢致裂纹萌生机制，为增材制造高强钛合金在深海装备等临氢环境下的使役性能优化提供了重要理论依据。

钛合金具有高比强度和耐腐蚀等优点，是航空航天与深海等重大装备制造领域的关键结构材料。然而，在利用增材制造技术制备的亚稳β钛合金中，α相易于在晶界优先析出形成连续的晶界α相，是影响合金力学性能的关键因素之一。因此，建立晶界α相与合金在外加载荷条件下应变局域化程度的定量关系，对于调控增材制造钛合金微观组织优化使役性能、实现使役寿命的可靠预测具有重要意义。

本研究针对增材制造新型高强钛合金（Ti-3Al-6Fe-6V-2Zr），利用原位高分辨数字图像相关（HR-DIC）技术结合跨尺度组织表征，定量表征了合金在外加载荷条件下的微观应变演化过程，获得了含氢环境下与晶界α相关联的微观应变局域化和裂纹萌生与扩展行为。结果表明，在塑性变形早期，与晶界α相近邻的析出相贫化区（PFZ）产生了高达晶内应变两个数量级的微观局域化应变（图1）；在含氢环境下，晶界α相在氢和β相晶格膨胀导致的高应力共同作用下发生氢致裂纹萌生，该裂纹与析出相贫化区内的高度局域化位错滑移交互作用，导致裂纹快速扩展，使合金塑性和韧性显著降低（图2）。

图1 增材制造Ti3662合金中晶界α相导致的微观应变局域化和裂纹萌生

图2 增材制造Ti3662合金晶界α相和氢致裂纹萌生扩展行为

该工作揭示了亚稳β钛合金中连续晶界α相引起的应变集中和氢致裂纹萌生和扩展机制，为理解增材制造亚稳β钛合金在深海临氢环境的使役行为、建立微观组织设计优化准则奠定了理论基础。

上海科技大学博士研究生常家强为论文第一作者，上海科技大学创意与艺术学院张振波教授与中国科学院金属研究所马英杰研究员为共同通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121602