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背景简介

由于众多高温旋转部件经常承受着复杂的载荷波形，引起了人们对多损伤驱动裂纹萌生的关注。基于上述工程背景，本文对镍基合金GH4169进行了一系列应变控制的低周疲劳试验、蠕变疲劳相互作用试验以及结合高低周加载的蠕变疲劳试验。然后，在EBSD-TEM组合表征的基础上，进行了试验后的微观结构分析，揭示了复杂载荷加载下的损伤机制。结果发现，蠕变疲劳载荷下的单滑移主导的变形机制转变为高低周载荷下的双滑移主导的变形机制。在计算方面，构建了一个结合晶体塑性理论和有限元实现的数值程序来预测蠕变疲劳结合高低周载荷加载的裂纹萌生寿命。

成果介绍

（1）在EBSD技术的帮助下，蠕变疲劳和蠕变疲劳结合高低周载荷的纵向界面主裂纹扩展的微观信息如图1所示。蠕变疲劳结合高低周载荷工况下的高角度晶界的比例明显高于蠕变疲劳工况。从几何必须位错（GND）的角度分析，蠕变疲劳结合高低周载荷工况下激活滑移系数量高于蠕变疲劳载荷工况，这可能是由于保载期间的高周疲劳循环加载激活了额外的滑移系，以容纳更多沿着滑移方向运动的位错（图1）。

图1 基于EBSD的纵向截面主裂纹显微照片

（2）对于蠕变疲劳试样，位错线沿着单一的滑移方向不断积累，形成平行的滑移带（SB），位错滑移在靠近孪晶界的区域受到阻碍（图2b）。对于蠕变疲劳结合高低周载荷工况下的试样而言，大量的位错沿着双滑移方向运动，导致晶粒内形成交叉滑移带，然后位错在晶界处受阻（图2）。

图2 TEM微观图像及其物理机制

（3）基于微观结构的方法可以准确地预测裂纹萌生寿命，因为它可以在晶粒水平上捕捉不同载荷波形下的局部应力和应变演变。在所考虑的加载波形中，最大的应力集中主要出现在三叉晶界处。由于相邻晶粒之间的局部错位，累积的能量耗散在这些等高线图中呈异质分布。尤其在蠕变疲劳结合高低周载荷下，累积能量耗散的滑移带比低周疲劳和蠕变疲劳载荷下更明显（图3）。

图3 低周疲劳、蠕变疲劳以及蠕变疲劳结合高低周载荷加载下等效应力和累加耗散能的分布

致谢

该研究工作得到了国家自然科学基金（No：52005185和U21B2077），中国科协青年精英科学家资助计划（YESS20200029）和111计划的支持。本文通讯作者：张显程（华东理工大学）。

本期小编：王康康（整理）

杨逸璠（校对）

程　航（审核）

闵　琳（发布）