研究背景
Fatigue is one of the main causes of material failure in the engineering field, especially accounting for over 80% in the aviation industry. The fatigue of materials will cause catastrophic structural failure! Nickel based polycrystalline high-temperature alloy IN718, as the main material for aircraft engine turbine disks, is subjected to continuous cyclic loading due to harsh service environments, resulting in low cycle fatigue failure and causing significant economic losses and safety issues. Therefore, the study of the low cycle fatigue failure mechanism of IN718 is of great significance to the aerospace field.
由结构材料疲劳引起的大型事故
原位技术的必要性
对于IN718合金的低周疲劳已经进行了大量研究，但是先前的研究多采用离位表征的方式，重点关注不同变形条件下IN718合金的综合疲劳性能。离位表征很难获取IN718低周疲劳的变形过程，大多通过经验或半经验公式推导寿命，对材料本征特性关注较少，难以深入准确分析其变形机制。
合金材料疲劳损伤的发展过程
事实上，材料疲劳寿命80%消耗在与材料本征特性密切相关小裂纹萌生和扩展过程，且扩展速率与传统经验公式不符，无法得到有效预测。原位技术能够有效观察IN718合金的低周疲劳变形过程，得到疲劳过程中的小裂纹萌生和扩展的完整信息，同时获取表面滑移演变、晶格转动以及应变演化情况。结合原位方法获得的信息，可以深入分析IN718合金的低周疲劳变形机制。
应用实例
利用祺跃科技MINI-MFS1000原位疲劳测试装置，针对研究背景中的现存问题以及利用原位SEM-EBSD表征方法，设计了IN718合金低周疲劳的原位实验，研究了IN718合金低周疲劳变形过程中晶粒尺度上的组织演变。整个研究工作，系统研究了滑移形貌、施密特因子的演化、晶格转动和晶粒间塑性应变累积。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.04.143
▲（a）三种可能的疲劳裂纹源；（b）沿滑移带的疲劳裂纹；（c）沿滑移带的挤出物质
▲（a）表面裂纹长度；（b）裂纹扩展速率；
（c）-（h） 不同周次时的疲劳裂纹形貌
▲几何必需位错在不同周次时的分布
▲（a）区域一和（b）区域二的变形机制
结果表明，根据断裂机制的不同，可以将IN718合金室温低周疲劳变形行为分为两个区域。边缘区域：由驻留滑移带相关的塑性应变局部化主导，在晶粒内部沿驻留滑移带产生疲劳微裂纹，不同晶粒之间的微裂纹连接扩展。内部区域：与晶界塑性应变积累、应变不相容性以及位错相关的亚结构相关，不同晶粒之间的非均匀变形导致材料损伤积累，进而发生瞬间断裂。
该研究工作系统阐述了IN718合金的低周疲劳变形机制，对IN718合金构件的设计及加工提供了指导意见。根据上述的研究结论可以发现，边缘细晶组织以及内部粗晶组织的IN718合金构件应该具有较好的低周疲劳性能。