Escobar-Moreno I, Nieto-Valeiras E, LLorca J. Slip transfer and crack initiation at grain and twin boundaries during strain-controlled fatigue of solution-hardened Ni-based alloys[J]. Acta Materialia, 2025, 283: 120497.
Escobar-Moreno, I., E. Nieto-Valeiras, and J. LLorca. "Slip transfer and crack initiation at grain and twin boundaries during strain-controlled fatigue of solution-hardened Ni-based alloys." Acta Materialia 283 (2025): 120497.
Escobar-Moreno, I., Nieto-Valeiras, E., & LLorca, J. (2025). Slip transfer and crack initiation at grain and twin boundaries during strain-controlled fatigue of solution-hardened Ni-based alloys. Acta Materialia, 283, 120497.
背景简介
镍基合金因其在高温环境下（高达1200°C）的出色强度和抗氧化性能，在燃气轮机的高温部件中发挥着重要作用，例如涡轮盘、叶片或轴等关键部件。这些部件在服役过程中会受到交变载荷的影响，因此容易发生疲劳失效。研究表明，镍基合金的疲劳寿命中有高达80%的部分消耗在疲劳裂纹的萌生和短裂纹扩展阶段。因此，研究控制镍基合金疲劳裂纹萌生的关键微观组织因素具有重要意义。以往的研究主要集中在镍基合金在应力控制条件下的疲劳裂纹萌生行为，而对固溶强化镍基合金例如Inconel 600和Hastelloy C276在应变控制条件下的疲劳裂纹萌生机制研究较少。此外，大多数研究集中在沉淀强化镍基超合金上（例如Inconel 718），而对固溶强化镍基合金的研究相对不足。因此，该研究旨在分析固溶强化镍基合金Inconel 600和Hastelloy C276在应变控疲劳工况下的低周疲劳裂纹萌生机制，并与沉淀强化镍基合金进行比较，以揭示微观组织对低周疲劳裂纹萌生的影响。
成果介绍
（1）研究发现，Luster-Morris参数是判断滑移在晶界和孪晶界处是否可以顺利传递的准确几何准则，具体Luster-Morris参数和其中变量m'的定义分别见式1和图1。式1：
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其中，Ψ为图1中所示晶界两侧晶粒滑移面法线nA和nB之间的夹角；κ则为Burgers矢量bA和bB之间的夹角。通过疲劳中断试验后（应变幅为1%，中断于15%的疲劳寿命）的电子背散射衍射（Electron Back Scatter Diffraction, EBSD）测试数据提供的晶体取向，晶体表面的滑移迹线取向和活动滑移系的方向可以得到 Ψ 和 κ。在一定数量的滑移传递和阻塞的统计结果中发现，当Luster-Morris参数大于0.6时，疲劳载荷所引起的滑移可以在晶界（图2a）和孪晶界（图3a）之间传递；而小于0.6时，滑移被阻塞（图2b和图3b）。图4和图5则分别给出了由上述EBSD测试结果数据得到的常规高角度晶界和孪晶界处Luster-Morris参数与滑移是否发生传递的结果统计。另外，相比于大部分拉伸行为研究中报道的结论：当Luster-Morris参数大于0.8时，滑移才可被传递，而非该疲劳行为研究中报道的0.6。由此可知疲劳断裂过程相比于单轴拉伸过程对于滑移在晶界或孪晶界处传递的限制条件更为宽松。因此，可以预见疲劳过程引起的滑移将会在更高的晶界角度差的情况下发生传递。
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图1 Luster-Morris参数中主要变量的晶体学定义
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图2 常规高角度(>15°)晶界处的（a）滑移传递和（b）滑移阻塞
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图3 孪晶界处的（a）滑移传递和（b）滑移阻塞
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图5 Inconel 600和Hastelloy C276常规高角度晶界处的滑移传递或阻塞的统计结果
（2）在这两种固溶强化的镍基合金中，低周疲劳裂纹的萌生在晶界和孪晶界处均有发生。对于高角度晶界来说，主要过程是在晶界或孪晶界处滑移传递受阻，导致裂纹在晶界处萌生，并沿着边界或沿着冲击晶界的滑移带扩展，观察到的结果见图6和图7；而孪晶界处萌生的裂纹均沿着孪晶界扩展。这种裂纹萌生和扩展行为不同于沉淀硬化镍基高温合金：疲劳裂纹主要萌生于孪晶界。这两种镍基合金之间的疲劳裂纹形核位点的差异可归因于应变局部化程度的差异。
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图6 常规高角度晶界处发现滑移传递受阻而引发的裂纹萌生和沿晶扩展现象
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图7 孪晶界处发现滑移传递受阻而引发的裂纹萌生和沿晶扩展现象
（3）疲劳裂纹萌生的概率与晶界角度差有关。晶界角度差越大，则越容易引发裂纹形核与萌生。另外，此研究对Inconel 600进行了1150℃，持续2小时的热处理，有意地对比热处理前后微观组织变化引起的疲劳性能和裂纹萌生行为差异。但在统计结果中，并未发现晶粒尺寸长大至原来2倍的Inconel 600裂纹形核概率与晶界角度差关系的转变，但发现了由于热处理引发高角度晶界析出碳化物，而导致碳化物处发生裂纹形核与萌生（图8）。
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图8 1150℃，持续2小时的热处理后Inconel 600高角度三叉晶界处发现析出碳化物引起的裂纹形核与萌生
致谢
这项调查得到了西班牙马德里科穆尼达德资助的IMDEA材料项目（MAD 2D-CM），欧盟的Recovery, Transformation and Resilience Plan以及NextGenerationEU的支持，并得到了西班牙研究机构（CEX 2018 -000800-M）所属的Maria de Maeztu的支持。感谢Amalia San Román、José Luis Jiménez和Vanesa Martínez协助进行了中断疲劳试验。本文第一作者：I. Escobar-Moreno（Polytechnic University of Madrid），本文通讯作者：J. LLorca（Member of the Academia Europaea，Polytechnic University of Madrid）。
本期小编 董乃健（整理）
闵 琳（校对）
舒 阳（审核）
董乃健（发布）
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