镍基高温合金（如Inconel 718）凭借其高强度、良好的延展性以及优异的高温抗疲劳性能，被广泛应用于航空发动机的关键核心结构件（如金属封严环等）中。然而，在复杂的循环载荷服役环境下，极易产生疲劳裂纹，从而导致构件服役寿命的缩短。研究表明，疲劳裂纹的发展与材料的微观组织高度相关，特别是对MC碳化物等硬质析出物极为敏感。传统的疲劳裂纹萌生主要受控于三种核心机制的竞争：界面脱粘、夹杂物开裂以及基体开裂。尽管现有研究已对高温下与碳化物相关的开裂特征进行了广泛的实验观察，并利用有限元模拟的方法探讨了疲劳载荷下碳化物的局部变形行为，但碳化物与位错之间的多尺度交互作用机制仍需完善。目前文献多局限于单一尺度下单个夹杂物的断裂机制，而实际材料中多个硬质颗粒共存时，应力场的叠加会显著改变基体内部的局部应力状态。这些空间随机分布颗粒之间的协同效应，以及位错尺度下（如碳化物对位错的钉扎、位错的形核与缠结等）的微观动力学行为，依然缺乏定量的理论分析。为了实现抗疲劳微观组织的优化设计，亟需开展更为系统的多尺度实验与理论建模研究，以从根本上阐明位错与碳化物交互作用对裂纹萌生的影响机理。
近期，实验室詹梅教授、郑泽邦教授团队与香港理工大学傅铭旺教授合作，在塑性领域国际著名期刊《International Journal of Plasticity》发表了题为“Fatigue crack initiation mechanisms in Inconel 718 from MC carbide”的研究论文。论文第一作者为博士生赵盼娣，通讯作者为郑泽邦教授，实验室为第一作者单位。
研究综合运用了准原位三点弯曲疲劳测试、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）及透射电子显微镜（TEM）等多尺度先进表征手段，结合率相关晶体塑性有限元（CPFEM）与离散位错动力学（DDP）物理本构模拟，深入探究了Inconel 718超合金中与碳化物相关的多种裂纹形核机制。研究不仅验证了经典的界面脱粘和夹杂物开裂机制，还首次实验观测并从微观位错尺度揭示了一种全新的断裂模式：两个相邻未开裂碳化物之间基体滑移带裂纹的萌生（Slip band cracks between uncracked carbides）。这些发现为深入理解复杂微观组织下的疲劳损伤演化以及类结构件疲劳寿命的高精度预测提供了关键的力学基础。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104630
图2 准原位三点弯曲疲劳实验试样形状、加载路径及准原位观测方法。
图3 两个未开裂碳化物间基体裂纹的实验观测。首次观测到了由相邻碳化物导致的基体滑移系上裂纹萌生。
图4 晶体塑性建模方法。
图5 未开裂碳化物附近基体滑移带裂纹的实验观察与加载峰值处的CPFE模拟结果。明确了驱动该类裂纹萌生的主要原因是几何必需位错（GND）密度的局部急剧累积。
图6 碳化物间距对局部几何必需位错（GND）堆积的影响。揭示了碳化物之间的空间间距对基体局部变形和位错累积的控制作用，证明了空间几何约束是驱动该类型裂纹萌生的关键因素。
图7 碳化物尺寸对局部几何必需位错（GND）密度及累积速率的影响。由碳化物空间间距所导致的应力场强烈重叠与空间几何约束对位错密度的影响大于碳化物尺寸变化的影响。
图8 包含双碳化物的单晶离散位错动力学（DDP）模型中的位错结构。直观地揭示了双碳化物协同作用下的位错演化及缠结行为。
图9 双碳化物共存下的位错密度分布、局部构型储能及多滑移系交互机制。
本研究通过精细的跨尺度实验和多尺度理论建模，系统证实了Inconel 718合金中存在的三种与碳化物直接相关的疲劳裂纹形核机制。明确了法向应力、最大主应力及局部高位错密度在不同开裂模式中的驱动作用，并首次从机制上厘清了相邻微米级碳化物对局部GND密度急剧累积的协同影响规律。未来，研究团队将继续采用高精度表征技术与有限元模拟方法，解决疲劳载荷及极端高温服役条件下的材料损伤演化行为。这不仅将为建立具有强物理机制支撑的服役构件疲劳寿命预测模型提供理论依据，也为高性能合金面向应用场景的微结构主动设计与精密制造工艺优化指明了方向。
西北工业大学教授、博士生导师、国家级领军人才入选者和国家杰出青年基金获得者，精确塑性成形团队负责人。从事高性能轻量化复杂构件精确塑性成形理论与技术研究，先后获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、省部级一等奖等奖励。主持国家科技重大专项、国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题等项目30余项。在IJP、JMPT、IJMS等本领域重要期刊发表论文170余篇，获授权国家发明专利和软件著作权80余件，主导/参与制定国标/企标5项。现任中国机械工程学会塑性工程分会名誉副主任委员、常务委员；陕西省高性能精确成形技术与装备重点实验室主任；制造领域国际期刊《Manufacturing Review》副主编、《航空学报》中英文版、《中国机械工程》等期刊编委等。
郑泽邦，西北工业大学教授、博士生导师。主要从事先进制造技术与工程合金的微观变形机理的研究。近年来主持国家自然科学基金重大研究计划培育/面上/青年项目等十余项，在本领域顶级期刊Int J Plast、Acta Mater和J Mech Phys Solids等发表论文40余篇。在国际会议作邀请报告20余次，获陕西省自然科学一等奖、教育部自然科学一等奖等奖项，入选2020年人社部“香江学者”计划。现担任中国机械工程学会塑性工程分会塑性加工理论委员会委员、国际合作委员会秘书。
图文 | 赵盼娣，郑泽邦
编辑 | 冯芳
责编 | 何峰
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