近日，中国科学院力学研究所孙成奇研究员团队与中国船舶科学研究中心、北京科技大学等团队在深海结构用Ti-6Al-4V ELI钛合金持续载荷开裂（SLC）与应力腐蚀开裂（SCC）机制研究方面取得进展。利用超大样品室扫描电镜（腔体尺寸1300 mm × 1200 mm ×1400 mm，真空度10-3 Pa），实现高真空、空气和模拟海水环境下Ti-6Al-4V ELI的恒位移开裂对比试验研究，结合多尺度表征手段与分析，从纳米尺度揭示了钛合金SLC与SCC机制的显著差异。相关研究成果以“Mechanisms of sustained load cracking in high vacuum environment and stress corrosion cracking for Ti-6Al-4V ELI alloy in deep-sea structures”为题，发表于腐蚀领域权威期刊Corrosion Science。

钛合金具有优异的比强度和耐腐蚀性能，是深海结构用关键材料。然而，Ti-6Al-4V ELI等合金在低于断裂韧度的恒定载荷下也会发生开裂。由于SLC与SCC在宏观断裂行为和断口形貌上高度相似，二者开裂机制目前尚未阐释清楚。针对这一问题，研究团队利用超大样品室扫描电镜，开展了高真空、空气和模拟海水环境下Ti-6Al-4V ELI钛合金恒位移对比试验，并结合聚焦离子束（FIB）、透射电子显微镜（TEM）、透射菊池衍射（TKD）等多尺度表征手段对其开裂机制进行了分析。

研究发现，在空气和高真空环境下Ti-6Al-4V ELI均可发生显著SLC，裂纹扩展门槛应力强度因子较断裂韧度降低大于50%。该研究捕捉到SLC断口独特的高度分叉脊状准解理特征，并发现<a+c>型锥面位错在纳米脊附近显著堆积，尺寸最大的主脊附近还伴随局部变形诱导的纳米晶形成。特别是，模拟海水环境下裂纹脊尺寸显著增大、局部塑性梯度减弱，并在裂纹脊附近直接观察到δ-TiH₂氢化物。该发现为揭示海水环境促进深海结构钛合金裂纹扩展提供了新的实验证据和机制认识。

该研究阐明了深海结构用Ti-6Al-4V ELI钛合金SLC与SCC的纳米尺度机制差异，为钛合金深海结构的长期服役和应力腐蚀安全评估提供了科学基础和理论支撑。

图1. SLC与SCC宏观力学性能与开裂机制

本项研究第一作者为王亚飞副研究员，通讯作者为孙成奇研究员。研究得到国家科技重大专项项目和力星计划项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.114297。