钛及钛合金因比强度高和耐腐蚀性优异而被广泛应用于航空航天及核电等领域，但在服役过程中容易吸氢形成氢化物，改变合金变形行为并影响其低周疲劳裂纹萌生与扩展。因此，探究相关影响及机理对缓解氢脆和预测构件寿命至关重要。现有的钛合金氢致疲劳研究多聚焦于近α和α+β型，其中，纯α型Ti-2Al-2.5Zr合金作为核反应堆关键用材，其充氢后的疲劳行为尤其是裂纹萌生扩展机理尚不明确，且该合金中B型δ-氢化物的晶体学特征与工业纯钛差异显著，其对疲劳行为的影响还有待研究。

近日一项研究指出，在Ti-2Al-2.5Zr合金低周疲劳行为中，B型δ氢化物不仅对滑移有阻碍作用，而且能够与基体一起发生塑性变形而不发生断裂，填补了该合金氢致疲劳机理的研究空白。相关研究以“Influence of hydrogen charging on the low-cycle fatigue behavior of Ti-2Al-2.5Zr alloy: in-situ SEM study”为题被发表在期刊《International Journal of Fatigue》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2025.109423

【核心内容】

研究通过原位SEM疲劳试验探究了12~500ppm氢含量下B型δ-氢化物对纯α型Ti-2Al-2.5Zr合金低周疲劳（LCF）行为的影响。氢充注使合金产生明显硬化，抗拉强度提升但延伸率下降。B型δ-氢化物可阻碍位错滑移，能与基体协同发生塑性变形且不发生断裂，其通过延缓循环塑性应变累积和应变不相容性显著延长合金裂纹萌生寿命，对裂纹扩展寿命影响极小，且氢含量提升至500ppm仍未改变合金穿晶型的裂纹扩展模式，也未出现沿氢化物的快速裂纹扩展，最终使合金低周疲劳寿命随氢含量增加而延长，为B型δ-氢化物对Ti-2Al-2.5Zr合金低周疲劳行为的影响提供了关键机理认知。

【研究成果】

① 氢化物核心特性

B型δ-氢化物可有效阻碍位错滑移，同时能被基体滑移带剪切，与基体协同塑性变形且不断裂。此外，位错可通过半共格相界面跨氢化物-基体滑移，棱柱<a>滑移为合金低周疲劳主导变形机制。

对(a)原始合金、(b)含有295ppm氢的合金和(c)含有500ppm氢的合金进行滑移迹线分析，σ_max=505MPa

(a) B型δ-氢化物与α-Ti基体界面处的高分辨率透射电子显微镜图像，(b)棱面螺位错穿过界面的示意图

② 疲劳寿命调控

氢含量增加显著延长低周疲劳寿命，500ppm试样寿命为原始试样的3~4倍，核心原因是裂纹萌生寿命大幅提升，如420MPa下从4423次增至48,564次，对裂纹扩展寿命影响极小。

Ti-2Al-2.5Zr合金在σ_max=420 MPa下的疲劳裂纹扩展行为，(a) 4423次循环，(b) 5069次循环，(c) 6260次循环，(d) 7260次循环，(e) 7990次循环和(f) 12,316次循环

③ 裂纹演化规律

氢含量达500ppm仍保持穿晶裂纹扩展模式，无沿氢化物的快速裂纹扩展。氢化物使裂纹尖端塑性区和裂纹口张开位移显著减小，同时抑制晶间裂纹形成。

(a) 疲劳试验前Ti-2Al-2.5Zr合金的IPF，以及σ_max=505MPa时的疲劳裂纹扩展行为，(b) 100次循环，(c) 336次循环，(d) 770次循环，(e) 1043次循环，(f) 1119次循环和(g) 1317次循环

(a) Ti-2Al-2.5Zr合金在疲劳试验前含有295ppm氢的IPF，以及σ_max=420MPa时的疲劳裂纹扩展行为，(b) 37,671次循环，(c) 41,084次循环和(d) 46,847次循环

(a) Ti-2Al-2.5Zr合金在疲劳试验前含有295ppm氢的IPF，以及σ_max=505MPa时的疲劳裂纹扩展行为，(b) 982次循环，(c) 1430次循环，(d) 1794次循环，(e) 2048次循环，以及(f) 2534次循环

(a) Ti-2Al-2.5Zr合金在疲劳试验前含有500ppm氢的IPF，以及σ_max=420MPa下的疲劳裂纹扩展行为，(b) 29,456次循环，(c) 48,564次循环，(d) 53,939次循环，(e) 59,105次循环，以及(f) 59,430次循环

④ 关键机制

裂纹萌生寿命延长源于氢化物减缓循环塑性应变累积和应变不相容性。裂纹扩展无明显恶化，归因于氢化物的塑性变形能力及其与裂纹扩展方向垂直的取向。

在最大应力（σ_max）值为（a）420 MPa、（b）450 MPa、（c）475 MPa和（d）505 MPa时，裂纹口开口位移（CMOD）随裂纹长度的变化关系图

疲劳裂纹长度与最大应力σ_max为(a) 420 MPa, (b) 450 MPa, (c) 475 MPa和(d) 505 MPa时的循环次数关系

(a) {0001}极图，α-Ti晶格的优选取向和氢化物片层的几何形状；(b) 氢化物片层相对于ND平面上的RD的角度分布；(c, d) as-received和(e, f)氢充电Ti-2Al-2.5Zr合金的疲劳裂纹扩展行为的示意图

【总结与展望】

该研究突破了传统认知中“钛合金氢化物为纯脆性相、必然降低疲劳性能”的局限，首次发现B型δ-氢化物可显著延长Ti-2Al-2.5Zr合金的低周疲劳寿命，明确了氢化物对纯α型钛合金疲劳性能的积极调控作用。同时，首次揭示了Ti-2Al-2.5Zr合金中B型δ-氢化物的塑性变形机制和位错跨氢化物-基体界面的滑移规律，阐明了半共格相界面在位错传递中的关键作用。明确了“裂纹萌生寿命延长”是疲劳寿命提升的核心原因，为纯α型钛合金的氢致疲劳性能调控提供了理论依据。