镍基超级合金焊接接头中与微观结构相关的疲劳短裂纹及疲劳寿命

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Microstructure-sensitive fatigue short crack and fatigue life of nickel-based superalloy welded joint

针对镍基合金焊接接头融合区在600℃下的疲劳短裂纹行为，通过原位疲劳测试和微观结构表征，结合考虑次生相的晶体塑性有限元模型，揭示了多滑移激活导致的裂纹复杂路径机制，并验证了预测模型的有效性。

　　

李振凯|胡文轩|张振辉|刘世杰|易敏|郭万里

南京航空航天大学（NUAA）航空宇航工程学院前沿科学研究所、教育部航空宇航结构力学与控制国家重点实验室、智能纳米材料与器件国家重点实验室，南京210016，中国

摘要

焊接部件在先进工业中得到广泛应用，但焊接接头的复杂非均匀微观结构给准确阐明疲劳失效机制和预测焊接结构的疲劳裂纹起始寿命带来了挑战。本文利用原位疲劳试验装置研究了600°C下镍基超级合金焊接接头熔合区的疲劳短裂纹生长行为。通过基于位错的晶体塑性建模（该模型明确考虑了实验表征的次生相），预测了焊接接头的微观结构敏感性寿命。研究发现，短裂纹路径周围存在多个明显的激活滑移面轨迹（主要沿着$\left\{111\right\}$滑移面），并且在高温条件下，非八面体$\left\{110\right\}$滑移面也显著活跃。这种明显的多滑移活动导致裂纹生长偏离特定激活滑移面轨迹的方向，形成复杂的之字形裂纹形态。几何兼容性因子分析表明，晶界处的局部裂纹偏转受到相邻晶粒晶体学取向的强烈影响。此外，基于微观结构表征的晶体学信息和沉淀相分布，我们利用基于位错的晶体塑性有限元模型（CPFEM）结合Tanaka–Mura模型预测了焊接接头的疲劳裂纹起始寿命。预测结果与实验结果吻合良好，误差在可接受范围内。我们的研究有助于分析焊接接头的疲劳失效机制并预测其疲劳裂纹起始寿命，为提高焊接结构的使用寿命提供指导。

引言

镍基超级合金Inconel 718因其优异的抗氧化性、高疲劳强度和在高温下的良好焊接性而在航空航天工业中得到广泛应用[1]、[2]、[3]。服役中的部件通常承受循环载荷，因此疲劳失效成为其主要失效模式之一[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。由于存在异质微观结构[11]、[12]、残余应力[13]、[14]以及焊接缺陷[15]、[16]、[17]、[18]，焊接接头往往是整个部件中最薄弱的区域，尤其是在循环载荷下[19]。因此，研究这些焊接接头的疲劳性能至关重要，包括评估疲劳裂纹的起始和扩展行为，并建立疲劳裂纹起始寿命预测方法。

迄今为止，尽管大量实验[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]研究了焊接结构材料的疲劳性能和疲劳裂纹扩展机制，但针对焊接接头中短裂纹扩展的研究仍然有限。与长裂纹不同，短裂纹由于与晶界和相界等微观结构的强烈相互作用而表现出异常的生长行为[28]、[29]、[30]。这种现象在焊接接头的熔合区（FZ）尤为明显，因为该区域存在异质微观结构。此外，经典的Paris定律无法解释疲劳损伤早期阶段占主导地位的微观结构敏感性裂纹扩展机制。原位力学测试技术的最新进展为实时捕捉短裂纹的演变及其与局部微观结构特征的相关性提供了新的机会。

目前，仅基于宏观实验方法的焊接接头结构疲劳寿命研究难以深入到晶粒尺度理解疲劳失效机制。有限元模拟可以有效弥补这些不足[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。因此，将有限元模拟与实验验证相结合是预测焊接接头疲劳裂纹起始寿命和解释其疲劳失效机制的关键方法。例如，Zhou等人[36]提出了一种多尺度建模方法，同时考虑了微观和宏观因素，准确预测了焊接接头的疲劳强度和整体裂纹扩展过程。Nikfam等人[37]扩展了有限元方法，预测了焊接T形接头的疲劳性能，结果与实验数据非常吻合。

与宏观尺度上的连续损伤力学（CDM）[38]、[39]、[40]相比，晶体塑性有限元模型（CPFEM）在描述多晶材料在晶粒尺度上的微观位错滑移、孪生和相变行为方面具有显著优势[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]。最初，晶体塑性仅用于模拟单晶的拉伸和压缩行为[48]、[49]。随着对金属材料疲劳现象研究的深入，晶体塑性现已能够通过将运动硬化律引入本构模型来模拟多晶材料在循环载荷下的力学响应[50]、[51]、[52]、[53]。利用基于物理的指标参数，CPFEM已被证明可以预测疲劳裂纹起始寿命[54]。近年来，CPFEM在预测金属疲劳寿命方面的应用取得了显著进展。He等人[55]开发了一种双尺度建模方法，结合亚模型方法和晶体塑性本构模型，研究了宏观缺口尺寸和微观晶粒尺寸对带缺口部件的力学和疲劳行为的影响，疲劳裂纹起始寿命通过Tanaka–Mura–Wu模型进行预测。Zhang等人[56]基于CDM、CP和临界距离理论建立了高循环疲劳（HCF）寿命预测模型。He等人[57]在晶体塑性框架内准确预测了高强度钢（HSS）Q690的疲劳裂纹起始寿命，其中包含了两个Armstrong-Frederick背应力项和两阶段各向同性硬化。研究表明，该模型可用于模拟镍基单晶超级合金在多轴应力下的力学行为并对其进行合理预测。Yuan等人[58]使用累积塑性滑移和应变能耗散作为疲劳指标参数（FIPs）来预测多晶镍基超级合金Inconel 718的疲劳寿命。Li等人[19]、[59]、[60]开发了三种疲劳寿命预测方法，包括引入疲劳和蠕变指数参数的方法、基于半衰期累积能量耗散的方法以及双尺度模拟方法。这些方法成功预测了Inconel 718的蠕变-疲劳寿命。尽管CPFEM在预测镍基超级合金Inconel 718的疲劳寿命方面取得了成功应用，但预测具有不同微观结构的Inconel 718焊接接头的疲劳裂纹起始寿命仍有待探索。

Inconel 718的整体服役性能主要取决于沉淀相的类型和特性，如Laves相[61]、${\gamma }^{\prime }$、${\gamma }^{\prime }$和$\delta$[62]。硬而脆的Laves相通常会对合金的延展性产生不利影响[63]。然而，当$\delta$相存在于Laves相周围时，这种特殊的“Laves + $\delta$”结构可以阻碍裂纹扩展[64]。与细小的${\gamma }^{\prime }$和${\gamma }^{\prime }$相比，微米级的${\gamma }^{\prime }$相能够完全阻塞位错运动，导致应力和应变的局部集中[65]、[66]。现有研究发现，裂纹路径在遇到$\delta$相时会发生变化[67]、[68]。尽管Laves相和$\delta$相对循环载荷下的力学响应有显著影响，但它们在疲劳裂纹生长中的作用仍需深入研究，基于晶体塑性框架的疲劳裂纹起始寿命预测也应充分考虑这些相的影响。

在本研究中，我们提供了详细的扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）微观力学评估，重点关注晶体学参数（包括Schmid因子和几何兼容性因子）对裂纹路径的影响，以量化和阐明晶粒尺度上裂纹生长的机制。同时，还利用基于位错的CPFEM结合Tanaka–Mura方法预测了镍基超级合金焊接接头的疲劳裂纹起始寿命。本文的结构如下：第2节描述了实验细节和模拟模型，包括高温原位疲劳短裂纹生长、拉伸和疲劳试验、微观结构表征以及断裂表面检查；第3节讨论了实验结果和预测结果，并获得了驱动疲劳短裂纹生长的根本机制及相关关键微观结构参数；第4节总结了主要结论和展望。

方法论

本节全面描述了机械测试的实验程序，以及实验分析中使用的表征技术。此外，还介绍了用于疲劳裂纹起始寿命预测的理论模型。

结果与讨论

首先详细分析了焊接接头的微观结构，为后续的CPFEM模拟提供了基础。然后，对疲劳短裂纹扩展机制进行了微观结构敏感性分析。此外，还对拉伸结果和实验疲劳寿命数据进行了解释和讨论。最后，根据实验表征的微观结构，校准了寿命预测模型的参数。

结论

总之，本研究通过600℃下的疲劳短裂纹测试研究了镍基超级合金焊接接头熔合区的短裂纹生长机制。结合EBSD和SEM进行了微观结构检查，以全面阐明影响疲劳短裂纹生长行为的因素。此外，提出了基于位错的晶体塑性有限元方法（CPFEM）框架，结合Tanaka–Mura模型来预测疲劳

作者贡献声明

李振凯：撰写——原始稿件、可视化、验证、调查、形式分析、数据管理。胡文轩：验证、调查、形式分析、数据管理。张振辉：验证、调查、形式分析、数据管理。刘世杰：撰写——审阅与编辑、撰写——原始稿件、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。易敏：撰写——审阅与编辑、撰写——原始稿件、监督、资源协调

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢江苏省杰出青年基金（BK20240077）、低温液体推进科学技术实验室、航空航天液体推进国家重点实验室（HTKJ2024KL011001）、江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX25_0550）、中央高校基本科研业务费（NE2024001）、航空宇航结构力学与控制国家重点实验室（MCAS-I-0125K01）以及相关项目的支持。