北航一作 & 哈工大通訊：金屬疲勞裂紋研究獲突破

2025-08-04

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上圖展示原始Zircaloy-4板材的細(xì)晶分布（SEM）、試樣切割示意圖及極圖分析，證實(shí)樣品具有強(qiáng)烈的基面織構(gòu)，c軸沿Z向（板法向）排列，為后續(xù)Y型（c軸//Y向）和Z型（c軸//Z向）樣品分組提供微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

聚焦裂紋在三重交界處（Grain A1/A2/A3）的偏折行為，SEM與EBSD聯(lián)合揭示孿晶（長約5–8 μm）和棱柱面滑移跡線在受阻裂紋的共存現(xiàn)象，86°取向差證實(shí)其為拉伸型孿晶，應(yīng)力集中是孿生主因。

裂紋穿越Grain A2/A3/A5的路徑分析，左側(cè)晶體繞c軸旋轉(zhuǎn)10°（滑移主導(dǎo)），右側(cè)孿晶區(qū)無顯著旋轉(zhuǎn)，表明裂紋兩側(cè)分別由滑移和孿生實(shí)現(xiàn)塑性協(xié)調(diào)，DIC應(yīng)變場證實(shí)不對(duì)稱變形。

TEM與EBSD聯(lián)合表征裂紋孿晶變體（Twin A1/A2），SAED衍射與高分辨圖像明確孿生面為(1012)，86°取向差及不同剪切方向證實(shí)其為同類型孿晶的不同變體。(上圖展現(xiàn)EBSD部分)

Z型樣品（Sample B）經(jīng)4000次循環(huán)后的裂紋路徑與孿晶分布，EBSD檢出長度>50 μm的孿晶（B1/B2/B3），86°取向差再證拉伸孿晶，為后續(xù)退孿生現(xiàn)象提供對(duì)比基準(zhǔn)。

Sample B''的微機(jī)械場演化，DIC測得裂紋塑性應(yīng)變(xx/yy)呈"翼狀"分布（圖12c–f），結(jié)合EBSD彈性應(yīng)變反演的應(yīng)力(yy)場（圖12i）顯示拉-壓應(yīng)力共存，解釋退孿生的局部應(yīng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

退孿生機(jī)理圖解，高分辨EBSD揭示孿晶B1附近應(yīng)力(xx/xy/yy)的強(qiáng)梯度分布（圖13），位錯(cuò)塞積（棱柱面滑移跡受阻于孿晶B1'邊界）導(dǎo)致應(yīng)力重分布（圖14d），孿生解析剪切應(yīng)力（Twin-RSS）差異驅(qū)動(dòng)孿晶界反向遷移引發(fā)退孿生。

Z型樣品（B/B'/B''）裂紋擴(kuò)展速率對(duì)比，孿生/退孿生起始點(diǎn)（虛線標(biāo)注）對(duì)應(yīng)da/dN驟升，證實(shí)退孿生進(jìn)一步加速裂紋擴(kuò)展，且Z型樣品孿生觸發(fā)更早（ΔK=15–17 MPa√m）。

Y型與Z型樣品裂紋孿生RSS空間分布對(duì)比，Z型樣品（Grain B'2）所有孿生變體的RSS值更高（>300 MPa區(qū)域更廣），晶體學(xué)取向差異直接解釋Z型樣品更易孿生。

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北航一作 & 哈工大通訊：金屬疲勞裂紋研究獲突破