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SUZUKI S, SAKAGUCHI M, DOMEN M, et al. Temperature and ΔK Dependence of Grain Boundary Effect on Fatigue Crack Propagation in a Two-Dimensional Polycrystalline Ni-base Superalloy[J]. Acta Materialia, 2022: 118288.
SUZUKI, Shiyu, et al. "Temperature and ΔK Dependence of Grain Boundary Effect on Fatigue Crack Propagation in a Two-Dimensional Polycrystalline Ni-base Superalloy." Acta Materialia (2022): 118288.
SUZUKI, S., SAKAGUCHI, M., DOMEN, M., KARATO, T., & SUZUKI, K. (2022). Temperature and ΔK Dependence of Grain Boundary Effect on Fatigue Crack Propagation in a Two-Dimensional Polycrystalline Ni-base Superalloy. Acta Materialia, 118288.
背景简介
铸造的镍基合金具有良好的负载和抗冲击能力，被广泛用于航空航天和发电行业燃气轮机的高温部件。镍基合金制造的涡轮机在服役期间受到周期性的热应力、离心力和振动力的作用，因此过去的几十年中，针对高温合金的疲劳裂纹扩展（FCP）问题已开展了广泛的研究。然而直到目前，有关晶体取向和晶界（GB）等微观结构的影响的研究较少，并且理解仍然不全面。为此，本文针对晶体取向和局部晶界对镍基高温合金的FCP行为的影响展开系统研究。
成果介绍
（1）本文针对紧凑拉伸CT试样开展试验探究（图1），900℃下的试验结果表明，疲劳裂纹在垂直于载荷方向上以张开型裂纹模式在非晶平面上扩展，扩展过程中，当裂纹遇到GB时，可能会沿着GB的方向扩展（图1a）。在发生晶间裂纹扩展的点上，裂纹表面的粗糙度随SEM图像对比度的变化而不同。大多数情况下，断裂面的特征在厚度方向上是一致的，这种结果表明晶间裂纹在整个厚度范围内都发生了扩展。在应力强度因子（ΔK）高于25MPam1/2的区域，主裂纹尖端前沿的部分GB观察到二次裂纹的萌生（图1）。
图1 试样尺寸及900℃下疲劳裂纹扩展的实验结果：裂纹尖端SEM形貌以及裂纹扩展速率结果
（2）当沿滑移面的剪切型裂纹遇到GB时，裂纹扩展被阻止，因为晶粒1和晶粒2的滑移面在GB处不相容。并且晶粒1中的剪切型裂纹通常通过裂纹分支的方式在非晶平面上转变为张开型裂纹模式。裂纹扩展模式的转变需要在长周期循环下进行，同时裂纹从晶体滑移面转变的过程导致FCP速率下降（图2）。
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图2 晶界处疲劳裂纹扩展速率变慢机理示意图
（3）室温条件下，疲劳裂纹以剪切模式沿试样表面附近的晶体滑移面扩展。700℃条件下，裂纹扩展模式从低ΔK区域非晶平面上的张开模式转变为高ΔK区域的剪切模式。900℃条件下，整个ΔK区域仅发生张开模式的裂纹扩展。这种FCP行为主要与位错运动和γ/γ'微观结构交互作用产生的温度相关的微观变形有关（图3）。
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图3 在晶粒内部和GB周围的独特FCP行为示意图（取决于温度和ΔK条件）
致谢
感谢JSPS基金（No. 20J14882）对本研究提供的资金支持。本文通讯作者：SUZUKI S, SAKAGUCHI M（Department of Mechanical Engineering, Tokyo Institute of Technology, O-okayama 2-12-1, Meguro-ku, Tokyo, 152-8552, Japan）。
本期小编：王康康（整理）
杨逸璠（校对）
程 航（审核）
闵 琳（发布）
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