許多金屬材料在低于傳統(tǒng)疲勞極限的載荷下進(jìn)行超高周疲勞試驗(yàn)（即循環(huán)周次N > 107）后仍可能發(fā)生疲勞失效，其中，次表層出現(xiàn)裂紋是各金屬超高周疲勞失效的共同特征。在次表層裂紋萌生根源的研究上，現(xiàn)有文獻(xiàn)多關(guān)注于基體中的非金屬夾雜物，但是裂紋也會(huì)起源于內(nèi)部基體，然而相關(guān)報(bào)道卻寥寥無幾，其裂紋起源的根本原因尚未可知。為此，四川大學(xué)Yao Chen等研究者對(duì)無夾雜物的回火馬氏體高強(qiáng)鋼進(jìn)行了超高周疲勞試驗(yàn)失效研究。

文中，作者采用了TEM、EBSD及TKD等方法對(duì)樣品進(jìn)行了表征。EBSD結(jié)果表明，原始態(tài)樣品的平均馬氏體板條厚度為2±1μm，且組織無明顯應(yīng)力集中（見圖1）。樣品經(jīng)超高周疲勞失效斷裂后，研究團(tuán)隊(duì)采用FIB在裂紋源處，如圖2（f）(g)所示，提取了用于TKD和TEM分析的薄片樣品。

圖1 常規(guī)EBSD結(jié)果的（a）晶粒尺寸分布圖及（b）GND分布圖

 Symmetry S2離軸TKD的測(cè)試結(jié)果表明裂紋源處出現(xiàn)粗大的馬氏體板條（見圖2h），對(duì)近斷口處的局部應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)，粗大馬氏體板條內(nèi)存在小角度取向差的亞晶界（見圖3b）。

圖2（f）斷口宏觀SEM圖；（g）裂紋源處FIB樣品切取示意圖；

（h）裂紋源近斷口的離軸TKD結(jié)果

圖3 離軸TKD的（a）KAM圖及（b）IPF分布圖

離軸TKD由于分辨率與靈敏度的局限性，無法解析出納米析出相，如圖3所示，因此也就無法獲得樣品中完整的組織分布與微觀應(yīng)變分布情況。于是，研究團(tuán)隊(duì)借助具有超高分辨率和靈敏度的Bruker同軸TKD進(jìn)行了更深入的研究。

同軸TKD結(jié)果（圖4a、b）表明，即使是衍射信號(hào)極弱的納米析出相，同軸TKD仍可獲得十分清晰的花樣，同時(shí)借助ESPRIT軟件的智能Phase ID鑒別出該納米析出相為Fe₃C，并觀察到其沿亞晶界分布。同時(shí)如圖5所示，從斷口處的微觀應(yīng)變分析結(jié)果可以看出，高密度的幾何必須位錯(cuò)（GND）主要集中在納米Fe₃C相與α-Fe相的界面，說明界面處存在明顯的應(yīng)力集中，該現(xiàn)象與在TEM中觀察到的結(jié)果一致。

圖4 同軸TKD相分布圖及各相對(duì)應(yīng)的花樣

圖5 （a）同軸TKD相分布圖與GND圖；（b）相同位置的TEM圖與相分布圖；（c）納米Fe₃C附近位錯(cuò)纏結(jié)與位錯(cuò)胞的TEM圖像

作者通過一系列表征獲得了馬氏體粗板條中引發(fā)裂紋的機(jī)理，如圖6所示。

圖6 馬氏體粗板條中引發(fā)裂紋的機(jī)理示意圖

參考原文：

Chen, Yao, Shijian Wang, Haizhou Li, Yongjie Liu, Chao He, Jie Cui, Qing Jiang et al. "Nanoprecipitates assisting subsurface cracking in high-strength steel under very high cycle fatigue." Scripta Materialia 224 (2023): 115112.

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