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Yang Y F, Hu H Y, Min L, et al. Failure mechanism and life correlation of Inconel 718 in high and very high cycle fatigue regimes[J]. International Journal of Fatigue, 2023, 175: 107764.
Yang, Yi-Fan, et al. "Failure mechanism and life correlation of Inconel 718 in high and very high cycle fatigue regimes." International Journal of Fatigue 175 (2023): 107764.
Yang, Y. F., Hu, H. Y., Min, L., Sun, Q. T., Song, M., Zhu, M. L., Wen, J. F., & Tu, S. T. (2023). Failure mechanism and life correlation of Inconel 718 in high and very high cycle fatigue regimes. International Journal of Fatigue, 175, 107764.
背景简介
在飞机、高铁、汽车和桥梁等领域，越来越多的机械零部件在高频振动工况下需要承受107次循环以上的疲劳载荷。这种超长循环周次下的疲劳通常称为超高周疲劳行为。镍基合金由于其优良的机械性能、耐腐蚀性和抗蠕变疲劳特性，广泛应用于航空发动机等重要装备的零部件。Inconel 718（IN718）是一种γ-γ'-γ''-δ沉淀硬化合金，常用于航空发动机涡轮盘和机身螺栓连接处，疲劳寿命要求常超过107次循环。因此，了解IN718的高周疲劳（High cycle fatigue, HCF）和超高周疲劳（Very high cycle fatigue, VHCF）行为对于确保航空发动机和机身的安全至关重要。
成果介绍
（1）图1显示了共包含三十个样品数据点的完整S-N曲线。超过109次循环样品仍未起裂的用蓝色箭头标出。S-N曲线在105到107次循环内显示出一个陡峭的连续下降趋势。此外，在106到109次循环期间，可以发现一个明显的平台特征。然而，直到循环次数达到109次，疲劳强度仍有小幅下降。四个应力幅为618MPa的试样在109次循环后都没有发生断裂，说明达到了超高周疲劳极限。
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图1 IN718在常温、R=-1工况下的疲劳测试S-N曲线
断口观察结果表明，所有试样裂纹萌生位置均在表面和次表面，且该材料常温下同时存在两种超高周疲劳裂纹萌生形式。第一种是非金属夹杂物（Non-metallic inclusions, NMIs）起裂，如图2所示。第二种是直接滑移起裂，如图3所示。
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图2 断裂面的SEM图像：（a）在Δσ=675MPa, Nf=1.29×106 cycles的试样的断裂面整体形态；（b）区域II和III的放大图；（c）和（d）裂纹源的放大视图。
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图3 断裂面的SEM图像：（a）在Δσ=627MPa, Nf=8.54×108 cycles的试样的断裂面整体形态；（b）区域II和III的放大图；（c）裂纹源的放大图；（d）断裂面和裂纹源的示意图
（2）两种裂纹萌生机制都与材料内的滑移累积和微观组织存在联系，为了进一步研究其原因，本文使用FIB和TEM来做更深入的研究。图4是图2中靠近裂纹源位置S1处的FIB薄片TEM图像。从图4d中可以看到大量两系滑移带（Slip bands, SBs）的存在。在图4e中靠近裂纹源的位置发现微裂纹存在，将微裂纹位置放大观察，可以看到清晰的主滑移带转变为微裂纹，元素缺失证明了它们的存在。NMI与基体内滑移运动交互作用导致了微裂纹的形成。
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图4 S1位置TEM图：（a）明场（Bright field, BF）TEM图像显示缺陷附近的微观结构，（b），（c）分别是N1和N2的位错分布，（d）SBs和衍射斑，（e），（f）HAADF TEM图像下的微裂缝和SBs。SBs用红色和蓝色箭头标记。
图5是图3中靠近裂纹源的S3位置FIB薄片TEM图像。从图5b中可以看出， 靠近三角晶界和主断裂面的位置存在更密集的滑移带。晶界（Grain boundaries, GBs）附近形成的层错清晰可见，这说明该位置存在严重的局部塑性变形和应力集中，裂纹更倾向于在此处萌生。
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图5 S3位置TEM图：(a) BF TEM图像显示裂纹萌生位置附近的微观结构，(b) N1的放大BF TEM图像，(c) Q1处SFs的SAD图案，(d) N2中晶界附近SBs的BF TEM图像。
图6是两种裂纹萌生机制的示意图。位错在滑移方向上不断移动，形成SBs，部分SBs被NMIs或GBs阻挡。滑动的位错受到阻碍，这导致了位错的积累。因此，由局部应力集中引起的微裂纹在裂纹源附近开始出现。当微裂纹形成时，由于高频循环载荷引起的应力集中迅速作用于裂纹尖端。然后主裂纹穿晶扩展，在很短的时间内导致最终失效。
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图6 疲劳裂纹萌生的示意图：(a) 所有不连续的滑移被NMI阻挡，(b) 微裂纹沿SB直接萌生，(c) 部分不连续的滑移被GB阻挡，(d) 微裂纹在不连续的SB和GB附近萌生，(e) 主裂纹扩展形成断裂面。
（3）本文提出了一种和缺陷尺寸、材料属性参数和力学性能相关的修正系数，并使用微缺陷尺寸相关寿命预测模型进行寿命相关性模型的研究。如图7a所示，首先尝试了文献（Int. J. Fatigue. 2002, 24,1269-1274.）的超高周疲劳寿命预测模型，发现针对镍基合金的预测结果在±30倍误差带内。而采用本文所提出的修正系数后，大部分预测结果与试验结果更加接近，在±3倍误差带范围内，验证结果如图7b所示。
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图7 寿命相关性模型的验证结果：（a）Int. J. Fatigue. 2002, 24,1269-1274中的模型；（b）本文提出的修正模型。
致谢
该研究得到了两机专项、国家自然科学基金等的资助。本文通讯作者：温建锋、涂善东（华东理工大学）。
本期小编：杨逸璠（整理）
王永杰（审核）
闵 琳（发布）
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