裂紋萌生和損傷演化是疲勞研究的一個核心科學問題，然而限于已有的研究手段，鮮有關于循環(huán)載荷作用下材料微結構特征和損傷演化的直接觀測報導。本文將傳統(tǒng)的試驗機（MTS試驗機）與電子背散射衍射（Electron backscattered diffraction, EBSD）觀測技術相結合，發(fā)展了一種準原位EBSD觀測方法，并研究了深海載人潛水器耐壓艙用Ti-6Al-4V ELI合金在疲勞和保載疲勞載荷下微結構和損傷演化行為。研究表明：①滑移系傾向于發(fā)生在具有較大基面滑移或柱面滑移施密特因子（Schmid factor, SF）的α晶粒中，孿晶發(fā)生在柱面滑移SF不大于0.2的α晶粒中，二者均與最大應力保載和保載時間無關（圖1a-1m）。α晶粒中是否發(fā)生孿晶取決于晶粒的結晶取向和加載條件，一定程度的保載應力促進可以發(fā)生孿生的α晶粒中孿晶的形成。②疲勞和保載疲勞載荷下，都捕捉到α晶粒中取向差的增加和亞晶粒的形成，為循環(huán)載荷下位錯滑動和位錯相互作用導致晶粒細化提供了證據(jù)（圖1n）；觀察到α晶粒中由于孿生而形成亞晶粒的過程，表明孿晶也是循環(huán)載荷下晶粒細化的一個主要原因（圖1o）。③疲勞微裂紋傾向萌生在具有較大柱面滑移SF的α晶粒的柱面，而保載疲勞微裂紋傾向起源于具有較大基面滑移SF的α晶粒的基面或c軸與施加軸向應力之間具有小角度的α晶粒邊界。一定程度的最大應力保載增加了塑性應變的積累，有利于脆性微裂紋的形成，但如果保載應力高或保載時間長，保載引起的塑性應變會抑制脆性微裂紋的增長，并誘導延性破壞模式。④由于保載應力和保載時間不同，保載疲勞可以呈現(xiàn)三種模式：疲勞失效（即脆性裂紋萌生和增長主導的失效），延性失效（塑性變形主導的失效）和混合失效（脆性裂紋萌生和增長以及塑性變形共同主導的失效）。對于延性失效或混合失效，不能通過傳統(tǒng)的裂紋萌生和擴展速率有效預測疲勞壽命。

圖1 a-f: 單滑移系開動情況. g-l: 多滑移系開動情況. m: c軸與施加軸向應力之間夾角和柱面滑移SF.

n: 晶粒內取向差變化. o: 孿晶和亞晶粒形成.