华东理工大学Acta Mater.：高周/超高周疲劳内部微缺陷致裂的寿命与机理模型

【引言】

现代工程部件的长寿命服役需求，使材料的超高周疲劳（Very High Cycle Fatigue, VHCF）问题成为研究的热点。人们发现，随着疲劳寿命的增加，裂纹萌生位置由试样表面向内部转变；内部裂纹萌生是VHCF的一个重要特征，占据了疲劳寿命的90%以上，并且通常与微观组织和微缺陷等因素有关。因此，有必要统筹考虑冶金与工艺因素研究疲劳损伤机制，进而形成合理的材料与结构抗疲劳设计方法。

【成果简介】

近日，华东理工大学的朱明亮和轩福贞（共同通讯）等人，通过对不同取样方向的沉淀硬化不锈钢进行轴向拉压高周与超高周疲劳试验，发现疲劳强度存在各向异性，非金属夹杂物主导着内部裂纹萌生行为。研究揭示了缺陷尺寸、位置和形状对内部疲劳破坏的影响规律，提出了试样取向无关的疲劳寿命模型（Z参数）。研究从微缺陷-微观组织交互作用的角度阐明了微缺陷处纳米尺度晶粒的形成过程，提出了“马氏体板条断裂和位错胞形成”的机理模型，澄清了内部疲劳破坏是微观组织相关的裂纹萌生和第I阶段扩展的过程。相关成果以“Fatigue life and mechanistic modeling of interior micro-defect induced cracking in high cycle and very high cycle regimes”为题发表在Acta Materialia上。

【图文导读】

图 1 疲劳试样

（a）疲劳试样的形状与尺寸；

（b）疲劳试样取向示意图。

图 2 材料微观组织OM表征

（a）材料金相组织3D分布图；

（b）X-Y平面中马氏体宽度统计分布图；

（c）X-Z平面中马氏体宽度统计分布图。

图 3 材料微观组织SEM观察

（a）X-Y平面处的SEM图像；

（b）是(a)图中黄色区域SEM图像放大图；

（c）X-Z平面处的SEM图像；

（d）是(c)图中黄色区域SEM图像放大图。

图 4 材料微观组织EBSD观察

（a）X-Y平面取向图；

（b）X-Y平面相图；

（c）X-Y平面上，试样表面法线方向的IPF图；

（d）X-Y平面上，板条组织的aspect ratio统计图；

（e-h）分别为X-Z平面上的取向图、相图、IPF图及板条组织aspect ratio统计图。

图 5 疲劳S-N曲线

图 6 裂纹萌生形貌

（a）X-Y取向断口SEM图像；

（b）X-Y取向夹杂物放大SEM图像；

（c）X-Z取向断口SEM图像；

（d）X-Z取向夹杂物放大SEM图像。

图 7 断裂面处夹杂物形貌表征

（a）X-Y取向上球形夹杂物SEM图像；

（b）X-Y取向上面型夹杂物SEM图像；

（c）X-Z取向上成簇状夹杂物SEM图像；

（d）X-Z取向上分散型夹杂物SEM图像。

图 8 缺陷尺寸及疲劳极限与疲劳寿命关系

（a）夹杂物尺寸与疲劳寿命关系图；

（b）基于全局和局部HV值疲劳极限σ_FL与寿命关系图；

（c）σ_a/σ_FL随疲劳寿命变化图。

图 9 基于夹杂物特征的疲劳寿命模型

（a）非金属夹杂物尺寸与深度关系图；

（b）新参数Z与疲劳寿命关系图。

图 10 微缺陷周围显微硬度测量与表征

（a）X-Y方向断口表面总体SEM图像；

（b）X-Y方向断口表面显微硬度测试SEM图像；

（c）X-Y方向断口表面夹杂物周围显微硬度分布；

（d）X-Z方向断口表面总体SEM图像；

（e）X-Z方向断口表面显微硬度测试SEM图像；

（f）X-Z方向断口表面夹杂物周围显微硬度分布。

图 11 微缺陷周围微观组织观察

（a）X-Y方向微缺陷周围微观组织OM形貌；

（b）X-Y方向微缺陷周围微观组织SEM图像；

（c）X-Z方向微缺陷周围微观组织OM形貌；

（d）X-Z方向微缺陷周围微观组织SEM图像。

图 12 微缺陷周围FIB制样

（a）微缺陷周围SEM图像；

（b）夹杂物周围断裂形貌；

（c）FIB切割位置SEM形貌；

（d）FIB切割试样侧面SEM图像。

图 13 FIB切割试样A的TEM/SAD/EBSD分析

（a）P1处衍射斑点图像；

（b）P2处衍射斑点图像；

（c）P3处衍射斑点图像；

（d）FIB切割试样A的TEM图像；

（e）P4处衍射斑点图像；

（f）为（d）中黄色区域的EBSD形貌。

图 14 区域A处纳米晶粒的尺度测量及其分布

（a）晶粒标记；

（b）细晶粒宽度统计分布图；

（c）细晶粒当量直径统计分布图。

图 15 FIB切割区域B处的TEM形貌

（a）断裂表面下方TEM图像；

（b）是(a)图中A1处TEM放大图；

（c）是(a)图中A2处TEM放大图；

（d）是(a)图中A3处TEM放大图。

图 16 FGA形成机理示意图

（a）原始奥氏体晶粒示意图；

（b）塑性应变在夹杂物周围累积示意图；

（c）位错胞结构形成示意图；

（d）微界面的形成促使细晶区域的扩展；

（e）微界面/断裂的聚合形成FGA。

【小结】

本文基于不同取样方向沉淀硬化不锈钢的高周与超高周疲劳试验，并结合微缺陷-微观组织的交互作用分析，建立了基于缺陷尺寸、位置和形状的Z参数疲劳寿命模型，提出了“马氏体板条断裂和位错胞形成”的内部微缺陷致裂机理模型。研究为超高周疲劳的断裂理论及寿命预测方法提供了新思路，使人们认识到材料冶金与加工工艺的结合是提高工程材料抗疲劳性能的有效途径。

文献链接：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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