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引文格式：
Dao, V. H., Yun, H. S., Koo, J. S., et al. Change in Failure Behavior and Fatigue Life of Single-Crystal Ni-Based Superalloys Under Thermomechanical Fatigue Loading [J]. Metals and Materials International , 2024, 1-15.
Dao, Van Hung, et al. "Change in Failure Behavior and Fatigue Life of Single-Crystal Ni-Based Superalloys Under Thermomechanical Fatigue Loading." Metals and Materials International (2024): 1-15.
Dao, V. H., Yun, H. S., Koo, J. S., Jaeyeong, P., & Nahm, S. H. (2024). Change in Failure Behavior and Fatigue Life of Single-Crystal Ni-Based Superalloys Under Thermomechanical Fatigue Loading. Metals and Materials International, 1-15.
背景简介
镍基单晶高温合金在极其复杂和恶劣的使用环境中具有优异的蠕变、疲劳和耐腐蚀性，已广泛用于制造涡轮叶片等部件。涡轮叶片在使用过程中经历了启动、加速、减速和停止等过程，导致温度和机械负荷的循环变化，称为热机械疲劳(TMF)，限制了这些部件的使用寿命。TMF是许多工程应用中遇到的复杂而关键的现象，其中材料和部件受到循环机械载荷以及波动温度的影响，在航空航天、汽车、发电和结构工程等需要高性能材料和极端条件下可靠性的行业中具有重要意义，因此了解TMF的复杂性对于安全高效的工程结构和部件的设计和维护至关重要。本文基于镍基单晶高温合金的显微组织变化研究了同相（IP）和异相（OP）热机械疲劳加载的失效行为和寿命变化。
成果介绍
（1）在IP条件下的TMF试验中，0.5%机械应变下断裂面的主要特征是穿晶解理面，材料发生了塑性变形。随着材料塑性变形的发生，微观损伤（如蠕变孔洞）开始在微观结构中积聚。微观裂纹的发生是通过微孔洞和沿碳化物和枝晶结构界面的局部应力集中的部位开始的。当机械应变大于0.5%时，断口呈现解理断裂和平面滑移减弱的特征，以韧性断裂和波浪峰为主，并且横向试样表面出现二次裂纹，表明氧化复合损伤，从而降低疲劳寿命。在IP-TMF中，高机械应变水平的情况下，断口表面呈现出与高温蠕变试验中观察到的非常相似的平面韧窝。这些观察结果表明，影响IP-TMF样品疲劳寿命的机制是蠕变疲劳损伤。
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图1 不同机械应变范围下IP TMF试样的断口形貌:（a）0.5%，（b）0.5%机械应变下的微孔，（c）0.6%以及（d）0.7%
（2）在OP-TMF条件下，氧化-疲劳损伤主导了试样的失效。表面在瞬态断裂区呈现出解理台阶和撕裂脊的混合，并且在断口附近观察到明显的氧化特征。裂纹沿试样表面氧化层形成并分布，并垂直延伸到试样内部。这些裂纹出现后，应力集中和氧化的共同作用将多个裂纹连接起来，显著加速了试样的劣化。在断口表面观察到明显的裂纹扩展过程，该断口完全由(001)晶面组成，如图2(b)所示。还观察到大量由氧化物、解理和撕裂引起的疲劳辉纹，多条裂纹沿着与(111)型平面对齐的非均质剪切带扩展，表明疲劳寿命降低。
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图2 不同机械应变范围下OP-TMF试样的断口形貌: (a) 0.4%，(b)在0.5%下外表面周围有多条裂纹，(c) 0.6%时的疲劳条纹和剪切带和(d) 0.7%
（3）在IP-TMF条件下，负平均应力抑制了裂纹成核和扩展，提高了疲劳寿命。相反，在OP-TMF条件下观察到的正平均应力会促进裂纹的萌生和生长。当机械应变增加到0.6%时寿命显著缩短，特别是当机械应变达到0.7%时，在OP-TMF条件下测试的样品的寿命趋于逆转。图4b显示了使用EDS分析观察到氧化裂纹的典型特征。试样表面有明显的氧化层元素，如Al2O3和 Cr2O3。当承受IP-TMF载荷时，试样经历高温拉伸应力，这些氧化层容易产生裂纹，使基体材料暴露在空气中，并在后续部分继续氧化。氧化层的形成不断耗尽高温合金中的Al和Cr。裂纹尖端周围存在相损层，显著降低了裂纹扩展的抗性。当机械应变超过0.5%时，失效机理是蠕变、氧化和疲劳同时发生，导致样品快速破坏，疲劳寿命显著缩短。
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图3 IP和OP TMF加载条件下疲劳寿命与机械应变幅值的关系
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图4 机械应变为0.6% 时IP TMF试样 (a) 横向表面的SEM图像和 (b) 外表面氧化致形核的EDS分析
致谢
这项工作得到了韩国能源技术评估和规划研究所（KETEP）的资助，由贸易、工业和能源部（MOTIE）资助（No. 20181110100410）。本文通讯作者：Seung Hoon Nahm（Division of Industrial Metrology, Center for Energy Materials Measurement, Korea Research Institute of Standard and Science, Daejeon, 34113, Republic of Korea）。
本期小编：杨苡桐（整理）
徐浩波（校对）
王康康（审核）
王永杰（发布）
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