多晶材料在拉伸载荷下存在由动态应变时效导致的Portevin-Le Chatelier（PLC）效应等塑性不稳定性，会出现“应变爆发”现象，这在冰晶体、Ti-7Al、Inconel-718等多种多晶材料中均存在。基于连续介质力学的晶体塑性（CP）模型因均质化特性，无法捕捉应变爆发的时空间歇性与空间局域化。而钛合金中硬-软相邻晶粒是驻留疲劳裂纹萌生的关键位置，但晶粒间的应力重分布机制需结合高保真实验与模拟进一步验证。

近日有研究人员从Ti-7Al合金试件的受照厚度段采集了一系列离散时间点的远场高能X射线衍射显微镜(ff-HEDM)测量结果，发现在硬质颗粒附近的软晶中存在显著的应力松弛现象。该研究以“Leveraging high-energy X-Ray diffraction microscopy and crystal plasticity simulations to study grain scale stress redistribution within a Ti-7Al sample subjected to creep”为题被发表在期刊《Scripta Materialia》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.116954

【核心内容】

该研究发现硬晶粒相邻的软晶粒有显著应力松弛，且与基面滑移系统高分解切应力相关。CPFE模拟揭示了晶粒平均等效塑性应变超～0.005时应力松弛增加，但因模型均质化特性，应力松弛幅度被低估，同时软晶粒基面滑移累积会推动应力向硬晶粒转移。

图形摘要

【研究方法】

该研究采用“实验测量与模拟计算结合”的方法探究Ti-7Al样品蠕变下的晶粒尺度应力重分布：实验上，对Ti-7Al样品进行室温分阶段蠕变测试，每14.5min通过远场高能X射线衍射显微镜获取812个晶粒的质心、平均弹性应变与取向，计算von-Mises应力及应力松弛幅度（MSR）。模拟上，基于ff-HEDM数据生成3D镶嵌微观结构，生成有限元网格后再开展晶体塑性有限元（CPFE）模拟，模拟匹配实验加载条件。对比实验与模拟的MSR，分析基面等效塑性应变与MSR的关联性及硬-软晶粒对的应力重分布规律。

【研究成果】

① 应力松弛特征与模拟偏差

ff-HEDM实验显示，高基面分解切应力（RSS）的晶粒应力松弛更显著，离散{0001}极图中高RSS晶粒对应更大MSR。CPFE模拟虽能预测部分高基面RSS晶粒的应力松弛，但因模型均质化，无法捕捉滑移带形成、位错间歇性运动等局部事件，导致MSR被低估，预测误差3.27%-97.1%，平均误差72.6%。

a)基于ff-HEDM测量的晶粒平均取向构建的离散{0001}极图，b) ff-HEDM测量的晶粒质心的空间排列，c)以晶粒质心数据为种子的NEPER生成的微网格结构，d) Gmsh生成的微网格结构有限元网格

② 等效塑性应变与应力松弛关联

聚焦基面滑移相关的晶粒平均等效塑性应变，发现当平均等效塑性应变超过～0.005阈值时，MSR的中位数与变异性显著增加，这与Ti₃Al析出相剪切导致基面滑移软化的机制一致。实验中最大应力松弛事件与基面滑移系统高RSS强相关，证实基面滑移是Ti-7Al蠕变应力松弛的主导机制。

（a）通过模拟和实验得到的所有颗粒的总MSR值，（b）CPFE和ff-HEDM之间逐粒进行的的比较

显示MSR值分布的盒须图

③ 硬-软晶粒对应力重分布

选取软晶粒（S₁、S₂）与硬晶粒（H）组成的相邻晶粒对，CPFE模拟显示软晶粒平均等效塑性应变远高于硬晶粒，ff-HEDM观测到软晶粒随加载时间持续应力松弛，硬晶粒则应力升高。软-硬晶粒间晶界形成斜向载荷传递路径：S₁-H倾斜66.7°、H-S₂倾斜59.9°，增强硬晶粒的应力保留能力，促进应力向硬晶粒转移。

离散{0001}极点图显示晶粒平均应力松弛大小

（a）IPF图和三个颗粒的空间构型，（b）CPFE模拟24.4h加载保持结束时的晶粒平均von-Mises应力，（c）CPFE模拟的24.4h加载保持结束时的基滑移族的晶粒平均等效塑性应变，（d）在蠕变试验的第二阶段，当载荷保持在85%屈服应力下24.4h时，三个颗粒中的von-Mise应力的演化，（e）由CPFE模拟计算的在载荷保持在85%屈服应力下24.4h时平均等效塑性应变的演化

【总结与展望】

该研究结合远场高能X射线衍射显微镜（ff-HEDM）实验与晶体塑性有限元（CPFE）模拟，对Ti-7Al 样品在蠕变条件下的晶粒尺度应力重分布展开研究，发现硬晶粒相邻的软晶粒存在显著应力松弛且与基面高分解切应力相关，CPFE模拟虽能揭示基面等效塑性应变与应力松弛的关联，但因均质化特性低估应力松弛幅度，同时明确软晶粒基面滑移累积推动应力向硬晶粒转移的规律。