金属材料断裂是脆性解理断裂还是韧性断裂主要取决于裂纹尖端解理与位错发射之间的竞争。基于线弹性断裂力学（LEFM）的Griffith准则和Rice的位错发射准则对于确定各向同性晶体金属中可能的裂纹尖端扩展机制是足够可靠的。然而，当考虑非立方各向异性固体时，这些标准的适用性是值得怀疑的，例如，有序的金属间TiAl相，其中滑移系是有限的，弹性各向异性是明显的。来自波鸿鲁尔大学的Anupam Neogi采用分子动力学模拟研究面心立方TiAl和密排六方Ti3Al的脆性与韧性失效机制，并将研究结果与基于LEFM的弹性各向异性增强标准的预测进行比较。发现如果所有可用的位错滑移系统被考虑在内，扩展的Griffith和Rice在确定方向相关的裂纹尖端机制上是可靠的。原子模拟对于理解由于混合机制或除位错发射之外的剪切不稳定性而引起的裂纹钝化是必要的。一般认为，由四方相γ-TiAl（结构L10）和六方相α2-Ti 3Al（结构D019）组成的层状TiAl合金提供强度和变形性的最佳组合。但是，在层片状TiAl合金中，仍然观察到解理裂纹扩展导致脆性断裂。特别地，发现γ-TiAl更容易发生脆性断裂，而α2-Ti_3Al对这种裂纹扩展表现出更高的抵抗力。这些观察结果表明，两个相，γ和α2的明显的各向异性和低断裂韧性。事实上，这两个阶段拥有有限数量的独立滑移系。因此，在裂纹尖端的位错发射和解理之间的竞争是复杂的，强烈依赖于裂纹的晶体取向。根据解理的临界应力强度因子（SIF）KGIc和位错发射的临界应力强度因子KRIc，可以预测裂纹尖端机制。例如，如果对于特定的裂纹系统KGIc<KRIc，脆性解理在能量上比裂纹尖端的位错发射更有利。由于γ-TiAl的四方性（c/a = 1.047），c方向不等同于a和b方向，如在立方结构中的情况。因此，作者使用一个带有混合括号，<uvw]和{hkl)的符号来表示前两个索引可以置换或可以改变符号，但第三个是固定的。表1 在这项工作中研究的不同裂纹系统的列表。
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图1 模拟设置。如图所示，X轴和Y轴分别沿着裂纹扩展方向和垂直于裂纹平面定向。
在ALEFM各向异性线弹性断裂力学框架下，使用Griffith（KGIc）和Rice（KRIc）准则计算所有裂纹系统的临界SIF值。在Rice的情况下，我们计算了γ-TiAl中所有滑移系的KI值，并将最低值作为裂纹尖端位错发射所需的临界应力强度因子（KRIc）。临界KatI值，即KatIc，也直接由我们的MS模拟确定。从ALEFM和MS模拟获得的KIc值之间的比较在图2中进行。图3显示了表1中γ-TiAl中考虑的所有裂纹系统在不同外载荷（KatI值）下垂直于裂纹线的裂纹尖端区域的横截面视图。γ-TiAl中各个裂纹系统的ALEFM预测KGIc和KRIc值之间的比较表明，裂纹系统{010) <-100]，{1-10]<-110]和{-110）<111]分别被预测为通过解理（KGIc<KRIc）、位错发射（KRIc<KGIc）和解理（KGIc<KRIc）失效（图2（a）-（c））。图4（a）-（c）表明，这与我们的MS模拟中观察到的原子机制一致。特别是沿着在裂纹面{010]和 {-110]上的<-100]和<111]方向的裂纹，通过裂纹尖端的连续键断裂，表现出相当大的裂纹尖端前进，因此，表现出脆性解理，如图4（a）和（c）所示。{111}面上的裂纹沿沿着不同方向 扩展例如<-110],
<-112] and<-211]，预测同样表现出前两种情况的位错发射和后一种情况的脆性解理，图2（d）-（f），与MS结果一致，见图3（d）-（f）。![]()
图2 使用原子模拟（KatIc）、Griffith准则（KGIc）和Rice准则（KRIc）对γ-TiAl中不同裂纹系统计算的临界应力强度进行比较。在原子模拟中观察到的裂纹尖端机制用c表示解理，用e表示位错发射。
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图3 γ-TiAl中裂纹系统在不同KatI值下，裂纹尖端区域松弛原子构型的裂纹前缘垂直视图。Ti原子用较大的球表示，Al原子用较小的球表示。通过使用自适应公共邻域分析，基于原子的局部晶格结构对其进行着色。
图4（a）-（c）所示，对于两个棱柱形裂纹（10-10）[1-210]和（1 -210）[10 -10]以及第一个基底裂纹（0001）[1-210]，KGIc总是低于KRIc，差异在20- 50%之间。因此，所有这些裂纹都应易于发生脆性解理。事实上，在我们的原子模拟中，我们观察到这些系统的裂纹尖端通过键断裂而前进，见图5（a）-（d）和（e）-（h）。![]()
图4 使用原子模拟（KatIc）、Griffith准则（KGIc）和Rice准则（KRIc）对α2-TiAl中不同裂纹系统计算的临界应力强度进行比较。在原子模拟中观察到的裂纹尖端机制用c表示脆性解理，用e表示位错发射。
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图5 α2-Ti 3Al原子级样品在不同施加载荷下的横截面图。图（a）-（d）所示为裂缝系统（10 - 10）[1 - 210]，图（e）-（h）所示为裂缝系统（1 - 210）[10 - 10]。原子根据其开口应力（σyy）进行着色;图中嵌入了彩条。裂纹尖端区域和位错（如果有的话）在图的插图中示出。
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图6 原子样品的横截面图α2-Ti 3Al原子样品在不同施加载荷下的横截面图。图（a）-（d）表示裂纹系统（0001）[1 -210]，而图（e）-（h）表示裂纹系统（0001）[10 -10]。原子根据其开口应力（σyy）进行着色;图中嵌入了彩条。裂纹尖端区域和位错（如果有的话）在附图的插图中示出。
相关研究结果以“Anisotropic failure behavior of ordered intermetallic TiAl alloys under
pure mode-I loading“为题，发表于Modelling and Simulation in Materials Science and
Engineering（vol.28, 2020, 065016），论文第一作者为Anupam Neogi，通讯作者为Anupam
Neogi，Alexander Hartmaier和Rebecca Janisch。论文链接：
https://doi.org/10.1088/1361-651X/aba738
