强度丨浙大张泽院士顶刊：航空发动机IN718高温合金低周疲劳变形机制的原位研究

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工程领域中，疲劳是导致的材料失效主要原因之一，尤其在航空领域占到80%以上。材料的疲劳将引起灾难性的结构失效！镍基多晶高温合金IN718作为航空发动机涡轮盘的主要材料，由于苛刻的服役环境，会受到循环载荷的持续作用，进而发生低周疲劳失效，造成极大的经济损失和安全问题。因此，IN718低周疲劳失效机制的研究对航空航天领域具有重大意义。

由结构材料疲劳引起的大型事故

对于IN718合金的低周疲劳已经进行了大量研究，但是先前的研究多采用离位表征的方式，重点关注不同变形条件下IN718合金的综合疲劳性能。离位表征很难获取IN718低周疲劳的变形过程，大多通过经验或半经验公式推导寿命，对材料本征特性关注较少，难以深入准确分析其变形机制。

合金材料疲劳损伤的发展过程

事实上，材料疲劳寿命80%消耗在与材料本征特性密切相关小裂纹萌生和扩展过程，且扩展速率与传统经验公式不符，无法得到有效预测。原位技术能够有效观察IN718合金的低周疲劳变形过程，得到疲劳过程中的小裂纹萌生和扩展的完整信息，同时获取表面滑移演变、晶格转动以及应变演化情况。结合原位方法获得的信息，可以深入分析IN718合金的低周疲劳变形机制。

▲ (a) 疲劳工作台; (b) 局部疲劳曲线; (c) 疲劳试验用试样的形状和尺寸; (d) 疲劳试验过程

▲ (a) 有限元模型; (b) 应力-应变曲线

浙江大学张泽院士团队联合北京工业大学利用原位疲劳测试装置，针对研究背景中的现存问题以及利用原位SEM-EBSD表征方法，设计了IN718合金低周疲劳的原位实验，研究了IN718合金低周疲劳变形过程中晶粒尺度上的组织演变。整个研究工作，系统研究了滑移形貌、施密特因子的演化、晶格转动和晶粒间塑性应变累积。

▲初始显微组织

▲（a）三种可能的疲劳裂纹源（b）沿滑移带的疲劳裂纹（c）沿滑移带的挤出物质

▲（a）表面裂纹长度（b）裂纹扩展速率（c）-（h）不同周次时的疲劳裂纹形貌

结果表明，根据断裂机制的不同，可以将IN718合金室温低周疲劳变形行为分为两个区域。边缘区域：由驻留滑移带相关的塑性应变局部化主导，在晶粒内部沿驻留滑移带产生疲劳微裂纹，不同晶粒之间的微裂纹连接扩展。内部区域：与晶界塑性应变积累、应变不相容性以及位错相关的亚结构相关，不同晶粒之间的非均匀变形导致材料损伤积累，进而发生瞬间断裂。