華東理工大學Acta Mater.：高周/超高周疲勞內部微缺陷致裂的壽命與機理模型

【引言】

現代工程部件的長壽命服役需求，使材料的超高周疲勞（Very High Cycle Fatigue, VHCF）問題成為研究的熱點。人們發現，隨著疲勞壽命的增加，裂紋萌生位置由試樣表面向內部轉變；內部裂紋萌生是VHCF的一個重要特征，占據了疲勞壽命的90%以上，并且通常與微觀組織和微缺陷等因素有關。因此，有必要統籌考慮冶金與工藝因素研究疲勞損傷機制，進而形成合理的材料與結構抗疲勞設計方法。

【成果簡介】

近日，華東理工大學的朱明亮和軒福貞（共同通訊）等人，通過對不同取樣方向的沉淀硬化不銹鋼進行軸向拉壓高周與超高周疲勞試驗，發現疲勞強度存在各向異性，非金屬夾雜物主導著內部裂紋萌生行為。研究揭示了缺陷尺寸、位置和形狀對內部疲勞破壞的影響規律，提出了試樣取向無關的疲勞壽命模型（Z參數）。研究從微缺陷-微觀組織交互作用的角度闡明了微缺陷處納米尺度晶粒的形成過程，提出了“馬氏體板條斷裂和位錯胞形成”的機理模型，澄清了內部疲勞破壞是微觀組織相關的裂紋萌生和第I階段擴展的過程。相關成果以“Fatigue life and mechanistic modeling of interior micro-defect induced cracking in high cycle and very high cycle regimes”為題發表在Acta Materialia上。

【圖文導讀】

圖 1 疲勞試樣

（a）疲勞試樣的形狀與尺寸；

（b）疲勞試樣取向示意圖。

圖 2 材料微觀組織OM表征

（a）材料金相組織3D分布圖；

（b）X-Y平面中馬氏體寬度統計分布圖；

（c）X-Z平面中馬氏體寬度統計分布圖。

圖 3 材料微觀組織SEM觀察

（a）X-Y平面處的SEM圖像；

（b）是(a)圖中黃色區域SEM圖像放大圖；

（c）X-Z平面處的SEM圖像；

（d）是(c)圖中黃色區域SEM圖像放大圖。

圖 4 材料微觀組織EBSD觀察

（a）X-Y平面取向圖；

（b）X-Y平面相圖；

（c）X-Y平面上，試樣表面法線方向的IPF圖；

（d）X-Y平面上，板條組織的aspect ratio統計圖；

（e-h）分別為X-Z平面上的取向圖、相圖、IPF圖及板條組織aspect ratio統計圖。

圖 5 疲勞S-N曲線

圖 6 裂紋萌生形貌

（a）X-Y取向斷口SEM圖像；

（b）X-Y取向夾雜物放大SEM圖像；

（c）X-Z取向斷口SEM圖像；

（d）X-Z取向夾雜物放大SEM圖像。

圖 7 斷裂面處夾雜物形貌表征

（a）X-Y取向上球形夾雜物SEM圖像；

（b）X-Y取向上面型夾雜物SEM圖像；

（c）X-Z取向上成簇狀夾雜物SEM圖像；

（d）X-Z取向上分散型夾雜物SEM圖像。

圖 8 缺陷尺寸及疲勞極限與疲勞壽命關系

（a）夾雜物尺寸與疲勞壽命關系圖；

（b）基于全局和局部HV值疲勞極限σ_FL與壽命關系圖；

（c）σ_a/σ_FL隨疲勞壽命變化圖。

圖 9 基于夾雜物特征的疲勞壽命模型

（a）非金屬夾雜物尺寸與深度關系圖；

（b）新參數Z與疲勞壽命關系圖。

圖 10 微缺陷周圍顯微硬度測量與表征

（a）X-Y方向斷口表面總體SEM圖像；

（b）X-Y方向斷口表面顯微硬度測試SEM圖像；

（c）X-Y方向斷口表面夾雜物周圍顯微硬度分布；

（d）X-Z方向斷口表面總體SEM圖像；

（e）X-Z方向斷口表面顯微硬度測試SEM圖像；

（f）X-Z方向斷口表面夾雜物周圍顯微硬度分布。

圖 11 微缺陷周圍微觀組織觀察

（a）X-Y方向微缺陷周圍微觀組織OM形貌；

（b）X-Y方向微缺陷周圍微觀組織SEM圖像；

（c）X-Z方向微缺陷周圍微觀組織OM形貌；

（d）X-Z方向微缺陷周圍微觀組織SEM圖像。

圖 12 微缺陷周圍FIB制樣

（a）微缺陷周圍SEM圖像；

（b）夾雜物周圍斷裂形貌；

（c）FIB切割位置SEM形貌；

（d）FIB切割試樣側面SEM圖像。

圖 13 FIB切割試樣A的TEM/SAD/EBSD分析

（a）P1處衍射斑點圖像；

（b）P2處衍射斑點圖像；

（c）P3處衍射斑點圖像；

（d）FIB切割試樣A的TEM圖像；

（e）P4處衍射斑點圖像；

（f）為（d）中黃色區域的EBSD形貌。

圖 14 區域A處納米晶粒的尺度測量及其分布

（a）晶粒標記；

（b）細晶粒寬度統計分布圖；

（c）細晶粒當量直徑統計分布圖。

圖 15 FIB切割區域B處的TEM形貌

（a）斷裂表面下方TEM圖像；

（b）是(a)圖中A1處TEM放大圖；

（c）是(a)圖中A2處TEM放大圖；

（d）是(a)圖中A3處TEM放大圖。

圖 16 FGA形成機理示意圖

（a）原始奧氏體晶粒示意圖；

（b）塑性應變在夾雜物周圍累積示意圖；

（c）位錯胞結構形成示意圖；

（d）微界面的形成促使細晶區域的擴展；

（e）微界面/斷裂的聚合形成FGA。

【小結】

本文基于不同取樣方向沉淀硬化不銹鋼的高周與超高周疲勞試驗，并結合微缺陷-微觀組織的交互作用分析，建立了基于缺陷尺寸、位置和形狀的Z參數疲勞壽命模型，提出了“馬氏體板條斷裂和位錯胞形成”的內部微缺陷致裂機理模型。研究為超高周疲勞的斷裂理論及壽命預測方法提供了新思路，使人們認識到材料冶金與加工工藝的結合是提高工程材料抗疲勞性能的有效途徑。

文獻鏈接：Fatigue life and mechanistic modeling of interior micro-defect induced cracking in high cycle and very high cycle regimes（Acta Mater.，2018，DOI：10.1016/j.actamat.2018.07.036 ）

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