晶界與孿晶界面對于金屬材料的強韌化設計與抗疲勞損傷開裂能力的提高具有重要影響。通常在單向拉伸載荷下，晶界普遍可以作為強化元素提高材料的強度，而在循環載荷下，晶界卻容易成為薄弱環節而優先萌生疲勞裂紋。金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室材料疲勞與斷裂研究部張哲峰研究組前期開展了一系列含有大、小角晶界銅雙晶體的低周疲勞實驗。他們發現：無論加載方向與晶界的夾角如何，大角晶界總是優先開裂，而小角晶界則不疲勞開裂。這一系列工作發表在Progress in Materials Science, 53 (2008) 1025上?？紤]到孿晶界面對金屬材料強韌化具有重要影響，為此，該研究組張振軍博士通過各種銅合金多晶體中孿晶界面低周疲勞實驗研究發現：孿晶界疲勞開裂傾向介于大角晶界和小角晶界之間，并且受到層錯能和晶粒取向影響。通過晶體學取向分析，他提出了決定孿晶界面疲勞開裂與否的層錯能與取向差判據，即隨層錯能降低或孿晶界兩側施密特因子差增加，位錯滑移跨過孿晶界的機會減小，致使得孿晶界更易于萌生疲勞裂紋。這項工作發表在Acta Materialia, 60 (2012) 3113和Applied Physics Letters, 101 (2012) 011907上。

　　為了進一步揭示各種共格與非共格孿晶界面本征疲勞開裂機制，最近該研究組李琳琳博士設計并制備了一系列含有共格與非共格孿晶界面的銅雙晶樣品，旨在進一步揭示孿晶界面與加載軸夾角對其疲勞開裂機制的影響。結果發現：共格孿晶界與加載軸的夾角對其疲勞開裂行為具有決定性作用：當孿晶界面與應力軸夾角約在45 25度時（約為20至70度），滑移帶集中在孿晶界附近，而使疲勞裂紋沿孿晶界面優先萌生與擴展，如圖1所示；而當孿晶界面近似平行或垂直于與加載軸時，孿晶界附近的滑移帶或完全穿過孿晶界（平行時），或因硬取向的緣故在孿晶界附近受限（垂直時），從而使得孿晶界相對滑移帶更難于萌生疲勞裂紋。不同傾角孿晶界的疲勞開裂行為，如圖2所示。而對于非共格孿晶界，當力軸傾斜于孿晶界面加載時，孿晶界不開裂而滑移帶開裂，滑移開裂形貌及位錯組態，如圖3所示。這是因為在循環加載時，由于非共格孿晶界兩側晶粒特殊的晶體學取向關系，一方面滑移帶可以穿過孿晶界，而另一方面孿晶界本身在位錯作用下也可以發生遷移，從而減緩了因位錯撞擊而造成的損傷，因而表現出較強的抗疲勞開裂性能，機理總結如圖4所示。上述研究結果發表在Acta Materialia, 61 (2013) 425、Scientific Reports, 4 (2014) 3744、Nature Communications, 5 (2014) 3536和Acta Materialia, 2014上。

　　以上關于各種界面疲勞開裂行為的研究結果表明，界面在變形過程中與滑移帶的交互作用方式可以歸結為兩類：撞擊型和剪切型。對于撞擊型作用，界面是否開裂取決于位錯被塞積的程度，界面處位錯塞積越嚴重，界面越弱，反之亦然。撞擊型界面包括大角晶界、小角晶界、多晶體中孿晶界以及與力軸成0度和90度的雙晶孿晶界。而對于剪切型作用，應變集中則成為了界面的主要損傷機制，上述傾斜孿晶界面容易產生應變集中，因而更容易發生疲勞開裂。因此，與普通大角晶界總是容易萌生疲勞裂紋相比，孿晶界面疲勞開裂與否具有明顯的可控性，它取決于與應力軸交角、層錯能以及兩側滑移帶之間的取向差，這為通過設計和控制孿晶界面來強韌化金屬材料和提高其抗疲勞開裂阻力提供了可能。

　　上述研究工作得到國家自然科學基金和金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室導向項目的資助。

圖1 與加載軸不同夾角的孿晶界面的疲勞開裂形貌及其附近的位錯組態（a、b）45度；（c、d）30度；（e、f）60度。

　　圖2 孿晶界與應力軸呈不同傾角時雙晶孿晶界面的疲勞開裂行為：孿晶界與應力軸夾角在45度上下時發生孿晶界開裂，而在0度和90度附近時發生滑移帶開裂。

　　圖3 傾斜非共格孿晶界面的疲勞開裂形貌（a、b）及位錯組態（c、d）。

　　圖4 非共格孿晶界的高分辨率像（a）及兩種塑性變形機制示意：（b）位錯貫穿機制；（c）非共格孿晶界遷移機制。