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板材的細晶分布（SEM）、試樣切割示意圖及極圖分析，證實樣品具有強烈的基麵織構，c軸沿Z向（板法向）排列，為後續Y型（c軸//Y向）和Z型（c軸//Z向）樣品分組提供微觀結構基礎。

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

裂紋穿越Grain A2/A3/A5的路徑分析，左側晶體繞c軸旋轉10°（滑移主導），右側孿晶區無顯著旋轉，表明裂紋兩側分別由滑移和孿生實現塑性協調，DIC應變場證實不對稱變形。

TEM與EBSD聯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麵為(1012)，86°取向差及不同剪切方向證實其為同類型孿晶的不同變體。(上圖展現EBSD部分)

Z型樣品（Sample B）經4000次循環後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，為後續退孿生現象提供對比基準。

Sample B''的微機械場演化，DIC測得裂紋塑性應變(xx/yy)呈"翼狀"分布（圖12c–f），結合EBSD彈性應變反演的應力(yy)場（圖12i）顯示拉-壓應力共存，解釋退孿生的局部應力驅動機製。

退孿生機理圖解，高分辨EBSD揭示孿晶B1附近應力(xx/xy/yy)的強梯度分布（圖13），位錯塞積（棱柱麵滑移跡受阻於孿晶B1'邊界）導致應力重分布（圖14d），孿生解析剪切應力（Twin-RSS）差異驅動孿晶界反向遷移引發退孿生。

Z型樣品（B/B'/B''）裂紋擴展速率對比，孿生/退孿生起始點（虛線標注）對應da/dN驟升，證實退孿生進一步加速裂紋擴展，且Z型樣品孿生觸發更早（ΔK=15–17 MPa√m）。

Y型與(yu) Z型樣品裂紋孿生RSS空間分布對比，Z型樣品（Grain B'2）所有孿生變體(ti) 的RSS值更高（>300 MPa區域更廣），晶體(ti) 學取向差異直接解釋Z型樣品更易孿生。