引文格式：

背景简介

本文旨在研究缺口试样中喷丸强化后的重叠对裂纹萌生和短裂纹扩展的影响。同时研究了载荷和载荷比的影响，并回答了以下问题：非金属夹杂物或表面质量结合缺口效应对裂纹萌生有什么影响？喷丸处理的积极影响是否可归因于残余应力？从微观结构短裂纹扩展到长裂纹扩展的过渡发生在哪里？

成果介绍

针对构件附近双缺口试样，通过非原位扫描电镜研究了镍基高温合金IN718在高温疲劳载荷下的短裂纹萌生和扩展行为。检查了未喷丸和喷丸的表面状况。可以将结果总结如下:

未喷丸试样的裂纹萌生主要发生在氧化表面或表面下的纳米金属表面（85.4%），如NbC或TiN。一些裂纹萌生于表面缺陷（14.6%），如图1（a）。对于喷丸试样，大多数裂纹萌生于喷丸处理引起的材料重叠处（48.8%），其次是氧化纳米材料处的裂纹萌生于氧化纳米材料处（35.4%）和表面处（15.9%），如图1（b）。所有裂纹无一例外都出现在应力集中较高的槽口中（K_t = 3.2)。

图1（a）抛光和（b）喷丸试样的裂纹萌生位置占比

采用阈值指数法的极值统计方法为代表性体积提供了可靠的NMI尺寸分布。从金相显微照片和断裂表面对搜寻直径的NMIs进行评估得出的结果是，在断裂表面测得的NMIs大2倍。这可能是因为在金相显微照片中，NMI不一定在最大投影平面中切割，如图2。

图2 金相显微图和断裂面的NMI尺寸的累积分布函数（CDF），并与来自可比体积的模型估计的最大NMI尺寸的CDF进行比较

对于所研究的疲劳载荷和缺口试样的组合，喷丸处理对裂纹萌生和短裂纹扩展的影响并不明确。这可以用大量的表面缺陷和喷丸处理导致的表面粗糙度增加来解释。缺口处的局部塑性可能会消除表面附近的残余应力。（图3）

图3 Δσ_net= 890 MPa和Δσ_net= 940 MPa两个加载阶段的非钻孔和钻孔DN试件的疲劳试验结果。（a）裂纹随裂纹长度的扩展速率；（b）裂纹长度超过裂纹长度的裂纹扩展速率

在裂纹扩展速率（图3(b)）下可以看到，在短裂纹状态（a< 50 μm）中存在较大的散射。在大约8 μm时，两种表面条件下裂纹扩展速率都有下降。在5~20μm范围内，几乎所有试验的裂纹扩展速率都有减速。对于应力比=−1.0的样品，长裂纹扩展率似乎高于应力比=−1.5的试验，而在短裂纹状态下没有影响。这可以解释为循环加载下缺口根部的局部载荷比接近−1，并且收敛于距离根部较大的全局载荷比。对于大于50µm的长度，所有试验的裂纹扩展速率相似。总之，可以说疲劳寿命的分散主要是由短裂纹状态的差异造成的。这一事实清楚地显示在图4中，其中裂纹扩展曲线移动到裂纹长度为750µm。裂纹扩展速率在微观结构短裂纹区域（a＜50µm）显示出较大的分散性。对于长度超过50μm的裂纹，观察到类似的增长行为。这可以解释为从微观结构短裂纹向长裂纹状态的转变

图4 裂纹长度为750 μm的抛光和未喷丸试样的裂纹扩展曲线的偏移

本文通讯作者：S. Eckmann （Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM, Freiburg, Germany）。

本期小编：刘尧风（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

王永杰（发布）