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引文格式：
Liu F, Chen Y, He C, et al. Creep-fatigue voids and sub-grain boundaries assisted crack initiation for titanium alloy in VHCF regime with high mean stress at 400°C[J]. Materials Science and Engineering: A, 2022, 844: 143171.
Liu, Fulin, et al. "Creep-fatigue voids and sub-grain boundaries assisted crack initiation for titanium alloy in VHCF regime with high mean stress at 400°C." Materials Science and Engineering: A 844 (2022): 143171.
Liu, F., Chen, Y., He, C., Liu, Y., Wang, C., Wang, Q., & Li, L. (2022). Creep-fatigue voids and sub-grain boundaries assisted crack initiation for titanium alloy in VHCF regime with high mean stress at 400°C. Materials Science and Engineering: A, 844, 143171.
背景简介
据统计，大多数航空发动机叶片故障是由疲劳作用引起的。航空发动机叶片经常在高速旋转、高温和高压等恶劣条件下长期运行。同时，叶片长期承受离心拉应力和低幅高频振动应力的共同作用。发动机叶片在高应力比（即高平均应力）下会承受频率超过1 kHz的低幅振动应力。降低昂贵叶片的更换或翻新是实现航空发动机使用寿命延长、安全寿命延长和优化寿命管理的真正动力。为了更准确地预测超高周疲劳（VHCF）状态下的剩余疲劳寿命，必须充分考虑环境（即高温）和循环载荷（即交变拉伸应力）之间的协同效应。值得注意的是，目前有许多针对叶片材料在不同应力比的常温VHCF方面的研究，但缺少针对叶片材料在循环周次达到109的高温VHCF方面的研究。
钛合金由于其低密度和优异的机械性能，长期以来一直是航空发动机核心应用的首选材料。目前的研究对高平均应力的影响知之甚少，但高平均应力的影响不容忽视。据报道，高平均应力更有利于小平面的形成，并且更容易诱发加速疲劳失效的蠕变效应。许多研究已经证实，无论是低周、高周或超高周的疲劳状态，双峰钛合金的裂纹萌生区内都有许多小解理面。几乎所有的研究都表明，小解理面的形成与αp晶粒的断裂或滑移有关，但对于这种“断裂”是如何形成的还没有达成共识。因此，研究小解理面的形成机理已成为双峰钛合金疲劳研究的重要内容。考虑到上述不足，本文旨在将过去的研究扩展到高温和高平均应力条件，以更准确地反映实际使用条件；同时，通过在高平均应力和高频疲劳下进行高温试验来研究合金的疲劳极限，以进一步揭示裂纹的萌生机制。
成果介绍
（1）根据扫描电子显微镜（SEM）观察，图1表示了在 400 °C时靠近断裂失效中心的代表性内部裂纹的萌生。对典型疲劳区域中心相对粗糙区域的观察表明，粗糙区域内有许多小解理面，如图1（b）所示。解理面表面光滑平整，呈现等轴特性，平均直径约5 μm，与αp晶粒尺寸基本相同。为了解裂纹萌生机制，采用离子束截面抛光机对疲劳试样进行切割，以暴露裂纹萌生区下方截面的疲劳显微组织，然后应用扫描电镜的背散射电子（BSE）模式观察其微观结构。疲劳显微组织的结果如图1（d）所示，在图1（d）中裂纹起始区下方的横截面微观结构中发现了许多孤立的圆形空隙，这些空隙来自于400 °C下高平均应力的疲劳加载过程，称之为蠕变疲劳孔洞（CFVs）。进一步观察表明，几乎所有的CFVs都位于αs+β中，并且靠近图1（e）中αp晶粒的晶界（GBs）。对该现象的解释是由于软相比硬相发生更大的塑性变形，因此软相中的位错更多，而硬相中只有少数位错。这将导致两个不同相之间的不均匀性和变形不相容性，从而导致αp和αs+β菌落之间的界面处的应力或应变不连续，进而导致CFVs的形成。此外，能量色散谱仪（EDS）结果表明，氧元素在CFVs附近富集，如图1（f）所示。
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图1 400 °C时典型的内部裂纹萌生诱发疲劳失效：（a）断口全貌（σa = 220 MPa，σm = 660 MPa，Nf = 3.017×108次循环）；（b）裂纹起始部位的小平面和空隙；（c）3D断口形貌；（d）疲劳微结构上分布的CFVs；（e）αs+β相中的CFVs和接近αp晶粒的GBs；（f）CFVs周围氧富集（σm表示相应应力幅值的平均应力）。
（2）完整的非致命裂纹如图2（a）所示。CFVs在400 °C下的高平均应力状态下生长，CFVs的形成和生长改变了微观结构周围的应力状态，导致局部应变不相容，从而形成复杂的裂纹形状。通过EDS分析，发现裂纹周围也富集了氧元素，由此说明氧元素与裂纹萌生和早期扩展密切相关。氧气可以通过楔入裂纹尖端来降低有效裂纹驱动力（氧化诱发闭合），这归因于在裂纹表面形成了厚的氧化物，由此推断出高温增加了氧的扩散能力，位错运动携带氧的运动。软β相中产生更多的位错，这些位错在αp晶粒和β转变基体之间的交界面处累积，导致CFVs的形成和CFVs周围氧元素的富集。在图2（c）中可以发现，短裂纹的萌生和扩展与αp晶粒中的基面或柱面滑移有关。对非致命裂纹周围αp晶粒的几何必要位错（GNDs）密度进行计算，结果如图2（d）所示，计算结果表明，GNDs密度分布不均匀，在非致命裂纹附近的显微组织中高度分布，说明裂纹的萌生和扩展伴随着严重的位错运动和塑性变形，这是由高平均应力和高温效应引起的。
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图2 短裂纹扩展：（a）非致命裂纹扩展；（b）富氧分布；（c）晶粒取向分布；（d）GNDs密度分布（σa = 220 MPa, σm = 660 MPa, Nf = 3.017 × 108个周期）
（3）塑性变形优先发生在αs+β基体中，容易产生应变梯度分布，因此CFVs更倾向于在αp晶粒GBs附近的αs+β基体中形成，而不是在图1中的αp晶粒中。图3（d）中的局部取向差（KAM）图显示，在αp晶粒中沿亚晶粒边界（sub-GBs）存在明显的KAM峰值，导致应变局部化，这意味着sub-GBs的形成是位错运动的结果，从而促进αp晶粒中小平面形态的形成。裂纹萌生面以下微观组织的透射电子显微镜（TEM）结果证实，在αs+β基体中，位错堵塞于GBs，形成位错缠结，导致应变局部化，这与αs+β基体中KAM的峰值一致。
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图3 使用透射菊池衍射（TKD）、电子背散射衍射（EBSD）和TEM进行观察和分析：（a）晶粒取向的反极图（IPF）；（b）微观结构中的KAM分布；（c）远离裂纹萌生面的显微组织IPF+GB图；（d）对应KAM分布映射；（e）和（f）αs+β中的位错分布（σa = 220 MPa，σm = 660 MPa，Nf = 3.017×108次循环）
（4）对于双峰钛合金，在400 °C的高平均应力的VHCF状态下，发现了CFVs和sub-GBs的协同作用，这促进了裂纹的萌生。图4显示了CFVs和sub-GBs促进裂纹萌生机制的示意图。在高平均应力的循环加载作用下，αs+β和αp晶粒中位错和氧同时发生运动，αs+β中的位错向αp晶粒和β基体的界面聚集，导致富氧现象，这是造成400 ℃蠕变效应的原因。随着高温循环加载的不断进行，αs+β中的位错发生缠结，然后形成CFVs，而αp晶粒中的位错随着柱面或基面滑移，在αp中形成小角度晶界（LAGB）的sub-GBs，随着sub-GBs和CFVs共同作用，CFVs可能会与sub-GBs发生合并。最后，裂纹在微观结构中产生，sub-GBs发展成解理面。
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图4 CFVs和sub-GBs共同作用下裂纹萌生机制的示意图
致谢
这项工作得到了国家自然科学基金（No.11832007、No.12172238、No.12022208和No.12002226）、国家重点研发计划（No.2018YFE0307104）和四川省科技计划项目（2022JDJQ0011）的支持。
本期小编：杨逸璠（整理）
闵 琳（校对）
舒 阳（审核）
闵 琳（发布）
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