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背景简介

单晶（SX）镍基高温合金通常应用于高温环境，如涡轮叶片和航空发动机叶片。然而，在服役过程中可能出现振动疲劳，从而导致部件失效。目前的研究大多旨在准确描述SX镍基合金的服役条件，尚未有文献报道机械应力梯度对超高周疲劳（VHCF）性能影响的研究，也少有关于缺口对SX镍基高温合金VHCF寿命影响的文献报道。本文提出了一种在1000℃下对SX镍基高温合金进行VHCF测试的新的缺口几何形状，分析了存在缺口时合金的VHCF失效机制。

成果介绍

（1）设计了一种新的缺口几何结构（图1），目的是在试样的表面和中心之间产生应力梯度。考虑到机械加工的限制，选择了圆形缺口。此外，这种缺口方便对缺口表面进行机械抛光。

图1 本研究中缺口试样的几何结构

（2）在1000℃, 20 kHz和R = -1条件下，CMSX-4缺口试样经历VHCF测试的S-N曲线如图2所示。在相同的名义交变应力下，缺口试样的疲劳寿命明显下降。对缺口试样的断口分析显示了两种主要裂纹起裂机制：内部裂纹萌生（表现为粗糙区，通常与内部或次表面的铸造孔相邻）；表面裂纹萌生（与氧化作用有关）。图3显示了仅考虑缺口试样的S-N图。大多数试样从内部或从次表面失效，与粗糙区（RZ）形成机制有关。

本研究结果的独创性在于，对于大于10⁷次循环时，在相同的疲劳寿命范围内，内部裂纹和表面裂纹同时发生（图3和图4）。此外，表面二次裂纹系统地出现在寿命超过1.5×10⁷次循环的试样上。这意味着，在研究的疲劳条件下，对于这种缺口几何形状，氧化起着关键作用。对部分试样的纵剖面进行了分析，表面裂纹一直到裂纹尖端都充满了氧化物，扩展裂纹与镍基高温合金组织之间没有明显的相互作用（图5）。实际上，在裂纹尖端的正前方发现了立方γ/γ′相。γ′析出物在较长时间内未被剪切，这表明裂纹扩展是在氧化作用下进行的。因此，氧化物在表面形成，裂纹在裂纹尖端前方不断形成氧化层而从表面扩展到基体。

图2 无缺口试样和CMSX-4缺口试样在1000℃, R = -1和20 kHz时的名义交变应力和寿命曲线

图3 CMSX-4缺口试样在1000℃, R = -1和20 kHz时的S-N曲线

图4 在151MPa下，两个试样的缺口表面都出现了二次裂纹： (a)和(b) N_f = 1.39×10⁸，与裂纹萌生相关的I型氧化区域用红色虚线曲线突出显示；(c)和(d) N_f = 1.03×10⁸，与裂纹萌生相关的粗糙区(RZ)用白色虚线突出显示

图5 CMSX-4缺口试样在151 MPa，N_f = 1.39×10⁸下的纵向剖面微观结构图

（3）现有研究表明，考虑缺口根部的最大应力值时，缺口试样具有更长的疲劳寿命，这与本文的研究结果相反（图6）。有两种可能的原因来解释这个不同的行为。首先，在相当高的温度下（本文1000℃），可能会发生不同的行为。其次，现有研究都是在疲劳条件下进行的。而在本研究中，试样是在宏观弹性状态下加载的。从图7中可以看出，即使在缺口表面以下的区域，微观结构上也没有发现再结晶或显著塑性变形的证据。当应力场因材料产生塑性变形而发生改变时，缺口内部也会发生循环塑性变形。这与我们目前的研究相反，因为在整个疲劳寿命中，缺口中的应力场至少在宏观层面上保持不变。

图6无缺口试样和CMSX-4缺口试样在1000℃, R = -1和20 kHz时的最大交变应力和寿命曲线

图7 CMSX-4缺口试样在136MPa，N_f = 1.10×10⁸下的纵向剖面微观结构图

致谢

本文第一作者：A. Vicente Morales，通讯作者：A. Vicente Morales、J. Cormier（Institut Pprime, UPR CNRS 3346, Physics and Mechanics of Materials Department, ISAE-ENSMA, 1 avenue Clément Ader, BP40109, 86961 Futuroscope Chasseneuil Cedex, France）

本期小编：闵　琳（整理）

姚辰霖（校对）

王康康（审核）

王永杰（发布）