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背景简介

在过去的几十年里，对结构合金在常规频率下的环境辅助疲劳裂纹扩展进行了大量的研究，但在超声疲劳高频下的研究。在超高周疲劳（VHCF）中，疲劳裂纹的萌生和小裂纹的扩展是寿命的主要决定因素，而小裂纹的萌生和扩展又与微观组织密切相关。然而，关于与这些效应相关的机制，或者更具体地说，环境如何影响短裂纹或小裂纹中的裂纹尖端塑性和微观组织/裂纹尖端相互作用，仍有进一步探究；目前，将局部微观组织与小疲劳裂纹扩展行为联系起来的研究仍然有限；这影响了VHCF寿命预测的能力。该工作的主要目的是在超声疲劳中评估环境对小裂纹扩展行为的影响。

本文通过在环境扫描电子显微镜(UF-SEM)下进行超声疲劳实验，研究了环境对Ti-6242S小疲劳裂纹扩展行为的影响。在真空和气体环境中，以20 kHz的循环频率进行疲劳裂纹扩展的原位实验研究。疲劳小裂纹是在实验室空气(非原位)和在低水汽压力(65 Pa、133 Pa、665 Pa和1330 Pa)，以及在UF-SEM的真空环境(3.7×10^-4 Pa)中萌生和扩展的。

成果介绍

（1）本研究采用一种独特的原位UF-SEM系统，研究了在循环频率为20 kHz的情况下，气体环境对结构合金Ti-6242S疲劳小裂纹扩展行为的影响。在实验室空气和不同水汽分压下，疲劳裂纹扩展速率比在真空中观察到的高几个数量级，并且裂纹扩展速率与水汽分压线性相关。在检测到的最高水汽分压下，裂纹扩展速率几乎与在实验室空气中观察到的相同(实验室空气名义上有相同的水汽分压)。

图1 含水蒸气环境下疲劳裂纹扩展速率(dc/dN)与应力强度因子ΔK对比，所有测试均在20kHz和R = -1的超声疲劳下进行

（2）表面裂纹路径观察表明，随着水蒸气分压的增加，裂纹扩展呈逐渐增加的穿晶型。在真空条件下，穿晶裂纹路径与主要的晶体滑移面关联较小，在断口表面可以观察到显著细小的韧性断裂区域。在真空条件下裂纹尖端存在多个滑移系，裂纹扩展过程中的裂纹尖端钝化可能是裂纹扩展速率显著降低的部分原因。

图2 在实验室空气和扫描电镜的真空中的疲劳裂纹扩展对比图

图3 实验室空气和1330 Pa H₂O蒸汽环境中断裂表面的对比图

图4 真空断口与室内空气断口对比图

虽然在不同的环境中，裂纹扩展路径或裂缝表面形态并没有明显变化，但随着水汽压的增加，沿有利滑移系的面形成具有明显的可重复性趋势。这在从表面观测得到的裂纹扩展路径的比较(图2)以及在真空和低水汽分压与实验室空气和1330 Pa水汽产生的裂纹表面特征的比较(图3和图4)中表现得最为明显。在空气和高水汽压下，裂纹沿主要晶体滑移面扩展的趋势更大。在真空和较低的水汽分压下，裂纹扩展路径平坦且断口表面没有切面，表明裂纹尖端存在多次滑移。在所研究的环境中，单滑移与多滑移的趋势是导致裂纹扩展速率差异的原因。

致谢

该研究工作得到了空军科学研究办公室结构力学项目(项目编号:F031559) 与密歇根大学拉克姆奖学金计划的资金支持。

本期小编：孙钱涛（整理）

徐浩波（校对）

王康康（审核）

闵 琳（发布）