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背景简介

目前，构件通常要求设计寿命超过10⁷次循环，由于服役条件恶劣，高强度材料被优先使用。在此背景下，高强度金属材料（如铝合金、钛合金和高温合金）的使用越来越多，超高周疲劳(VHCF)已成为日益关注的问题。在高应力和低疲劳寿命区域，疲劳断裂的起源通常在表面，而在低应力和高疲劳寿命区域，疲劳断裂的起源一般在次表面。因此，高强度材料的实际疲劳强度有可能低于通过常规方法获得的静态强度或材料硬度值所预测的疲劳强度。对于表面断裂的分析与评估方法并不一定适用于次表面断裂，对于次表面断裂的疲劳寿命和强度的分析和评估标准还未建立。在早期的研究中，已经对高强度钢进行了研究，以阐明VHCF中的断裂机理。然而，断裂机理的细节尚不清楚，特别是在疲劳裂纹在材料中扩展的情况下。这是因为疲劳裂纹起源于材料内部，并且疲劳裂纹从微观结构敏感裂纹扩展转变到难以检测的不敏感小裂纹裂纹扩展。

由于裂纹萌生时疲劳寿命已超过90%，因此在次表面断裂情况下，裂纹的初始扩展区域，包括断口表面的断裂源，一直是人们关注的焦点。此外，该区域与次表面断裂的非扩展裂纹和疲劳极限密切相关。对断口表面的观察表明，高强钢的次表面断面上形成了一种比晶粒还小的独特的凹凸不平的粗糙面，称为光学暗区(ODA)或细颗粒区(FGA)。由于在次表面断裂的断裂面上没有观测到这一特殊区域，因此该区域的形成机理可能是达成次表面断裂特性统一认识的线索。

在Ti6Al4V合金中，疲劳裂纹以穿晶裂纹形式萌生，在萌生部位很少观察到夹杂物。初始裂纹扩展机理决定了Ti6Al4V合金的VHCF性能，晶粒区的形成是初始裂纹扩展过程中的一个重要现象。本研究针对次表面裂纹面对的加载条件和环境等与材料无关的因素，对颗粒区形成机理进行了实验研究。为了模拟和简化与疲劳裂纹扩展和强度特性密切相关的裂纹张开、闭合现象，分别在空气和真空中进行了圆形表面试样的循环压缩试验，随后进行了表面和横截面的仔细观察。

成果介绍

（1）在空气与真空环境下，疲劳裂纹断口表面都形成环状图案。只有在真空环境下，观察到细小的表面突起，这类似于其他材料在次表面断裂的形貌（图1）。该区域可分为三个区域，即接触区、接触/分离区和非接触区。在接触区观察到轻微压扁的微观组织，两试样的表面形貌均接近光滑。对于非接触区，显微组织清晰可见，在不同的测试环境下其形貌没有差异。相反，在接触/分离区观察到明显的差异。空气环境的试样表面较为光滑，并能观察到微观组织，然而在真空条件下会形成一个粗糙的表面，能够观察到微米尺度的表面凹凸不平（图2（a）），与次表面断裂观察到的颗粒区域非常相似（图2（b））。在真空条件下，原始光滑表面形成表面突起，接触面上、下表面边界处发生粘接。此外，反复接触和分离是粗糙面形成的必要条件，因为它们几乎不存在于表面保持接触的接触区域。

图1 试样疲劳断口图

图2 粒状区域形貌图

 （2）在细化组织中观察到气孔和裂纹，这些气孔和裂纹是在细化和粘附过程中形成的（图3）。真空压缩载荷下的微结构细化和金属粘附是细小表面突起形成的关键现象。

图3 次表面断裂TEM图像和电子衍射图

（3）基于试验结果，提出了一种新的可以解释颗粒区的特性和次表面断裂特征形成机理模型（图4）。裂纹闭合和粘附行为起到阻力作用并导致裂纹扩展速度较慢。与此形成鲜明对比的是，微观组织的细化与空洞或裂纹在细化的微观组织上形成是初始裂纹扩展区的驱动力，次表面疲劳裂纹的应力强度因子范围门槛值较小。这使得超高周疲劳（VHCF）的次表面断裂具有更长的寿命和更低的疲劳极限。

图4 粒状区域形成的微观机理

致谢

该研究工作得到了JSPS KAKENHI的支持(批准号：19H02034)。 本文通讯作者：Oguma H（Research Center for Structural Materials, National Institute for Materials Science, Sengen 1-2-1, Tsukuba, Ibaraki, 305-0047 Japan）。

本期小编：孙钱涛（整理）

徐浩波（校对）

王康康（审核）

闵 琳（发布）