学术报告

作者及研究发表信息

本文由Thomas Edward James Edwards, Fabio Di Gioacchino, Amy Jane Goodfellow等研究者完成，作者主要来自剑桥大学材料科学与冶金学系（Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge）、瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology）与坦佩雷科技大学材料科学实验室（Tampere University of Technology, Laboratory of Materials Science）。此研究成果发表于Acta Materialia期刊，文章标题为“Deformation of lamellar γ-TiAl below the general yield stress”，发布时间为2019年10月，文章DOI为10.1016/j.actamat.2018.09.061。

研究背景和目的

本文聚焦于对轻质钛铝合金（γ-TiAl）在工程应用中的疲劳性能限制问题的研究。钛铝合金相较于钢和超合金在重量和性能上的优势使其备受关注，但其普遍存在的疲劳行为问题限制了其在航空航天等领域的广泛应用。文献表明，γ-TiAl合金在宏观屈服应力以下的加载下能够发生显著的塑性变形，且疲劳裂纹倾向沿着局部塑性区域形成。然而，对这些亚屈服塑性行为的起源、机制及其对材料失效的影响尚缺乏深入研究。为了探明这些现象及其微观机制，本文的主要目标是研究在常温和高温下加载条件下，近层片状γ-TiAl合金的亚屈服塑性行为，以及层片厚度和晶体取向对这种行为的影响。

研究流程及详细实验步骤

本文的研究分为以下几个流程，每个流程包含详细的实验设计和方法。

材料制备与显微结构表征 研究对象为Ti-45Al-2Nb-2Mn（原子百分比，0.8%体积分数的TiB2），实验材料经过离心铸造并进行了热等静压处理及不同的热处理以产生两种层片厚度的近层片状微观结构。厚层片样品在1010℃真空处理8小时并缓慢冷却，而细层片样品通过在1350℃空冷处理和额外的稳定化热处理来获得。采用EBSD（电子背散射衍射）和TKD（透射Kikuchi衍射）分别对不同热处理状态的层片厚度、相分布等微观结构特征进行了测量和分析。

宏观拉伸实验 样品制备为类似哑铃形的微小拉伸试件（1×2×2.5 mm³），拉伸实验分为常温25℃和高温700℃两种情况，目标为标定宏观屈服应力和拉伸行为。特定应力水平的加载后，利用一个金表面点样子模生成的表面点阵，通过数字图像相关技术（DIC）对表面应变分布进行映射分析。

微观压缩实验 为研究单一晶粒的塑性行为，采用聚焦离子束制备的微观柱状单晶测试件，尺寸约为5×5×11 μm³，这些试件来源于近层片γ-TiAl合金的软模式取向晶粒。在同样的两种温度下进行加载实验，并详细测量了局部应变和特定界面附近的滑移行为。

后续微观分析 通过电子显微镜（SEM）观察变形区域，同时，利用透射电镜（TEM）对变形后的柱状试件的滑移带及晶体取向变化进行详细分析，以确认塑性变形的性质（滑移或孪晶），以及其与层片界面的关系。

实验结果与数据分析

厚层片材料的宏观拉伸测试结果 在屈服点以下的两种应力水平（64%和82%的屈服应力）下，局部塑性变形均集中发生在软取向层片晶粒内，这些应变表现为平行于层片界面处的狭窄带状区域。塑性带仅分布于单一晶粒内，不跨越晶界。在常温下观察到更多的塑性带，且其集中程度较高。加热至700℃后，相同层片材料的塑性带数量减少，表明温度对亚屈服塑性行为有显著影响。

细层片材料的宏观拉伸测试结果 热处理后的细层片材料呈现的亚屈服塑性行为较为广泛，塑性带数量明显增多。这可能与其显著缩短的层片间距和更高的层片界面密度相关。

微观压缩测试结果 微观测试显示塑性行为始终发生在两个层片间距（30~50纳米）范围内，特别是在γ-TiAl相的γ/α2界面附近。其塑性机理主要通过孪晶和滑移实现。滑移线通常分布在层片内，并平行于层片界面延展。在高温条件下，滑移发生的频率和强度显著增加，同时，局部孪晶特征区间变得更显著。

主要结果的解释与贡献 研究表明，γ-TiAl合金中的层片界面因其弹性模量的不连续性和微观应变的不匹配，成为重要的应力集中区域，由此解释了为何软模式晶粒内的局部塑性始于这些界面附近。这种应力集中提供了局部塑性分区的潜在位点。此外，比起大应变塑性，这种亚屈服塑性对疲劳载荷下的裂纹形成和传播有重要的意义。

结论及研究意义

本文揭示了近层片片状γ-TiAl合金在屈服应力以下的塑性行为，其中局部变形的起始位置在γ/α2层片界面附近，与层片结构密切相关。这种亚屈服塑性行为机制为理解高周期疲劳裂纹的形成及扩展提供了重要线索，为优化钛铝合金的微观结构设计以强化其疲劳性能提供了科学依据。

研究亮点

1. 定量分析了近层片γ-TiAl在亚屈服加载条件下的初始塑性行为及其分布特性；
2. 创新性结合DIC和高分辨率TEM技术，揭示塑性集中与层片界面之间的精确关联；
3. 通过微观测试深入研究了单一晶粒内塑性行为的传播方式，特别是在不同温度下的差异；
4. 提供了关于γ-TiAl合金设计和工程实际应用的新思路。

展望

本文实验方法与分析路径为其它层片结构材料的塑性与疲劳研究提供了参考，并推动了高温金属间化合物材料的工程化进程。