引文格式：

背景简介

镍基单晶高温合金在极端载荷和环境条件下的抗破坏能力取决于其γ−γ´微观结构，该微观结构由γ相（固溶体强化的FCC）和γ´有序相（Ni₃Al）组成。镍基单晶高温合金中的温度诱导屈服强化是由于温度的升高，沉淀相强度异常增加，这有助于提升高温合金的疲劳性能。短裂纹首先在γ通道中形成，随后在疲劳过程中可穿过γ´沉淀物（图1（a）和（b）），但在细观尺度上，八面体滑移系统可能会在两相间形成曲折的裂纹路径（图1（c）和（d））。

镍基单晶高温合金中的裂纹路径已被广泛研究，但其作用于γ和γ´相短裂纹生长的独立阶段需要进一步研究。由于微观结构影响的短裂纹路径和生长速率在γ−γ′微观结构的行为与宏观尺度上考虑的长裂纹不同，因此微观结构必须考虑一种基于位错的裂纹生长方法来反映裂纹尖端的局部滑移场和通过晶格曲率释放驱动裂纹生长的弹性储能。

图1 镍基单晶高温合金裂纹扩展实验的微观结构（a）550℃（b）900℃和ΔK=40MPam^1/2裂纹扩展路径限制在γ通道和通过γ´沉淀物（c）沿γ中的八面体滑移面的潜在晶体裂纹扩展（d）沿γ´中的八面体滑移面的潜在晶体裂纹扩展

成果介绍

（1）通过将不同屈服强化（表1）纳入模型中，体现裂纹扩展路径和扩展速率对温度的依赖性。在高温低应力下观察到晶体裂纹路径限制在γ通道中（图3），而低温下裂纹将会穿过γ′通道（图2）。

表1 γ和γ´的滑移性能

图2 25℃下（a）200MPa下裂纹路径（b）200MPa下裂纹扩展速率（c）300MPa下裂纹路径（d）300MPa下裂纹扩展速率（e）晶体取向和潜在的滑移系统（f）实验观察的裂纹路径

图3 700℃下（a）200MPa下裂纹路径（b）200MPa下裂纹扩展速率（c）300MPa下裂纹路径（d）300MPa下裂纹扩展速率（e）晶体取向和潜在的滑移系统（f）实验观察的裂纹路径

（2）施加的应力对裂纹扩展路径以及裂纹扩展速率有显著影响。当在低温或高温下，高应力条件下，可以克服裂纹尖端塑性对裂纹扩展速率的影响，当裂纹穿过γ−γ´界面或γ´相时，裂纹扩展速率基本不受影响（图4和图5）。

图4 25℃下（a）400MPa下裂纹路径（b）400MPa下裂纹扩展速率（c）500MPa下裂纹路径（d）500MPa下裂纹扩展速率（e）晶体取向和潜在的滑移系统（f）实验观察的裂纹路径

图5 700℃下（a）400MPa下裂纹路径（b）400MPa下裂纹生长速率（c）500MPa下裂纹路径（d）500MPa下裂纹生长速率（e）晶体取向和潜在的滑移系统（f）900℃下的实验观察的裂纹路径

（3）实验观察到的裂纹路径的关键特征由建立的裂纹扩展模型体现，裂纹扩展路径发生在晶体最大滑移的滑移面上，体现了从低应力下的内生长到高应力下剪切的偏差。

（4）临界储能密度Gc控制了γ和γ´相中的裂纹扩展速率，但也影响了裂纹路径。如果该相的Gc足够高，则在裂纹扩展初期，裂纹扩展被限制在γ通道内，直到裂纹足够长以达到驱动高裂纹尖端应力，从而达到足够高的储存能量，并超过临界值（图6）。

图6 两个γ−γ′模型的裂纹扩展Gc,γ=7Jm⁻²（a）Gc,γ′=15Jm⁻²的裂纹路径（b）Gc,γ′=15Jm⁻²的裂纹扩展速率（c）Gc,γ′=20Jm⁻²的裂纹路径（d）Gc,γ′=20Jm⁻²的裂纹裂纹扩展速率（e）实验观察的裂纹路径（f）模型晶体学裂纹生长方向

致谢

该研究工作得到了英国皇家学会的支持[授权号：RS\PhD\181238]。本文通讯作者：Karamitros V（Department of Materials, Royal School of Mines, Imperial College London, Exhibition Road, London SW7 2AZ, UK）。

本期小编：邱 瑞（整理）

徐浩波（校对）

王康康（审核）

闵 琳（发布）