工程科學(xué)的進(jìn)展常常為實(shí)際生產(chǎn)或使役條件下的材料破壞所推動(dòng)。作為結(jié)構(gòu)材料研究領(lǐng)域王冠上的明珠，高溫合金往往被應(yīng)用在極端復(fù)雜和嚴(yán)苛的工作環(huán)境中。雖然該類合金具有近乎極限的抗蠕變、抗氧化及抗腐蝕性能，人們也已對(duì)循環(huán)載荷下此類合金的高溫疲勞失效有了一定的認(rèn)識(shí)，但仍不能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際應(yīng)用中蠕變-疲勞-氧化共同導(dǎo)致的失效。此類問(wèn)題的研究中，人們會(huì)經(jīng)常遇到前所未見的、不可思議的失效模式?，F(xiàn)有理論對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展有較好的理解，但和很多疲勞問(wèn)題一樣，疲勞裂紋的萌生機(jī)制依然是個(gè)老大難的問(wèn)題。針對(duì)疲勞裂紋的萌生，本研究提出了低周熱沖擊下鈷基高溫合金氧化層從均勻生長(zhǎng)演化為局部“指狀”形貌的機(jī)制，合理解釋了無(wú)外載情況下鈷基高溫合金的失效現(xiàn)象。

　　近日，蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和材料科學(xué)與工程學(xué)院曹睿教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)田納西大學(xué)高雁飛教授（共同通訊作者）報(bào)道了一種無(wú)外加載荷情況下鈷基高溫合金熱沖擊疲勞失效機(jī)制的力學(xué)解釋。相關(guān)成果以“Mysterious Failure in Load-Free Superalloys under Repeated Thermal Shocks”為題發(fā)表在Acta Materialia上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.05.002

　　這項(xiàng)工作是基于Co-Cr-W高溫合金在等溫和熱循環(huán)條件下氧化行為的對(duì)比研究中提出的。如圖1所示，等溫氧化條件下合金表面形成氧化鉻保護(hù)層（右圖），經(jīng)數(shù)十次熱沖擊后氧化鉻發(fā)展為手指狀侵入基體（左圖）。實(shí)際使役過(guò)程中，這種現(xiàn)象常出現(xiàn)在渦輪盤或者其它遠(yuǎn)離葉片的部件上，這些位置所受外加載荷較小但溫度變化劇烈，作者認(rèn)為它們的失效和這些指狀氧化鉻的形成緊密相關(guān)。但是氧化鉻的生長(zhǎng)是如何和熱循環(huán)關(guān)聯(lián)在一起的呢？

圖1熱沖擊氧化物形態(tài)與靜態(tài)氧化物形態(tài)對(duì)比

　　作者對(duì)哈佛大學(xué)鎖志剛院士提出的氧化-擴(kuò)散-蠕變本構(gòu)關(guān)系（該文命名為Stokes-Herring-Suo模型）進(jìn)行了拓展，并對(duì)這種無(wú)外加載荷情況下指狀氧化物的奇特生長(zhǎng)方式進(jìn)行了合理解釋。如圖2所示，氧化鉻的生長(zhǎng)需要鉻從遠(yuǎn)場(chǎng)基體中擴(kuò)散過(guò)來(lái)。鉻擴(kuò)散通量的散度不為零，所以一個(gè)任意體微元必然縮小。但是由于橫向幾何限制，該微元的橫向縮小只能靠蠕變產(chǎn)生的橫向伸長(zhǎng)來(lái)彌補(bǔ)。前者是個(gè)volumetric process，而后者是個(gè)deviatoric process，并且二者的協(xié)調(diào)導(dǎo)致了橫向應(yīng)力的產(chǎn)生和縱向的壓縮變形。模型的關(guān)鍵是該氧化應(yīng)力的建立需要的時(shí)間靠蠕變率和彈性模量來(lái)控制。

圖2氧化-擴(kuò)散-蠕變協(xié)同作用下的應(yīng)力

圖3“指狀”氧化物生長(zhǎng)的邊值問(wèn)題與剛進(jìn)入塑性變形時(shí)的σe/σY等值線圖

　　在上述基礎(chǔ)上，作者進(jìn)一步分析了氧化層生長(zhǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。在一個(gè)均勻增厚的氧化層基底上，如果添加形貌擾動(dòng)，比如局部的短小指狀擾動(dòng)，那么這些指狀物沿深度方向生長(zhǎng)與否取決于圖2中氧化導(dǎo)致的應(yīng)力大小?圖3所示Shear lag model表明，這些指狀物承受較大徑向壓縮，一旦塑性變形后氧化傾向于橫向生長(zhǎng)，即擾動(dòng)被抑制。熱沖擊過(guò)程中，每個(gè)熱循環(huán)時(shí)間較短，所以氧化應(yīng)力的穩(wěn)態(tài)值難以建立，從而這些指狀物無(wú)法進(jìn)入塑性狀態(tài)，導(dǎo)致其傾向于徑向生長(zhǎng)。

　　綜合上述研究，作者們對(duì)無(wú)外加載荷情況下的熱疲勞失效機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)闡釋，有助于進(jìn)一步優(yōu)化合金的設(shè)計(jì)并提升在極端熱、力和腐蝕條件下的使役性能。

　　【作者簡(jiǎn)介】

　　溫俊霞，蘭州理工大學(xué)與美國(guó)田納西大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士。研究方向?yàn)殁捇邷睾辖鸬臒崞跀嗔褭C(jī)理。

　　曹睿，蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)樾虏牧?、異種材料的焊接性及其變形斷裂行為。

　　高雁飛，美國(guó)田納西大學(xué)材料科學(xué)及工程系教授。研究方向?yàn)楣腆w力學(xué)、先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的變形和破壞機(jī)制、接觸力學(xué)和摩擦學(xué)。

　　【致謝】

　　本研究得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、蘭州理工大學(xué)優(yōu)秀學(xué)生出國(guó)（境）學(xué)習(xí)交流基金、省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)秀研究生聯(lián)合培養(yǎng)項(xiàng)目和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的資助。本研究獲得了蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院及田納西大學(xué)材料科學(xué)及工程系的大力支持，在此一并表示感謝。