材研“1-0” | LIFE团队在IJP发表论文：粉末高温合金低周疲劳中力学响应—微观组织—开裂行为关联机制研究

发布时间：2026-05-29来源：材料微生活

引用本文：

Zhao Zhang, Ronghai Wu*, Bingyang Wang, Heng Li*, Mechanical response-microstructure-cracking relation of powder metallurgy Ni-based superalloys under low cycle fatigue,International Journal of Plasticity,

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104684.

近期，西北工业大学材料学院LIFE团队在材料与机械工程领域Top期刊《International Journal of Plasticity》发表了题为“Mechanical response-microstructure-cracking relation of powder metallurgy Ni-based superalloys under low cycle fatigue”（粉末高温合金低周疲劳中力学响应—微观组织—开裂行为关联机制研究）的研究论文。论文第一作者为西北工业大学材料学院博士生张昭，通讯作者为巫荣海副教授和李恒教授，合作者包括中国航空制造技术研究院王丙阳。

背景介绍

粉末高温合金因其优异的高温强度、组织均匀性与抗疲劳性能，长期作为航空发动机涡轮盘等热端关键承力部件的核心材料。然而，该类合金在高温循环载荷下极易发生低周疲劳损伤，裂纹形核与扩展成为制约其服役寿命和结构安全性的关键因素。因此，揭示粉末冶金镍基高温合金低周疲劳失效机制，不仅是高温结构材料领域亟需解决的重要科学问题，也是提升航空发动机关键部件可靠性的基础。现有研究已表明，循环硬化/软化、位错演化、孪晶界结构以及晶界开裂共同影响其疲劳损伤过程。然而，宏观疲劳和裂纹行为背后的微观损伤机制仍不清晰，“循环塑性变形—晶界结构演化—局部能量积累—裂纹扩展”之间的内在因果链条仍不明确。其核心问题在于：高温循环载荷下，位错增殖与孪晶界演化如何共同重塑晶粒尺度局部应力—应变场，并进一步诱导裂纹在高角度晶界、三叉晶界及Σ3孪晶界附近选择性扩展？为此，有必要建立贯穿宏观力学响应、微观组织表征与晶体塑性模拟的多尺度研究体系，揭示低周疲劳过程中裂纹损伤演化的机制，从而为粉末冶金镍基高温合金疲劳寿命提升和微结构优化设计提供理论依据。

图文解析

图1. (a)FGH4098的晶粒形貌；(b)晶界与 CSL边界分布图；(c){1 0 0}、{1 1 0}及{1 1 1}取向的极图；(d)晶粒尺寸分布。

图2. 不同应变范围内应力随归一化寿命的变化关系：(a) 应力幅值；(b) 平均应力。

图3. (a)部分极点沿<111>方向的位置；(b)边界平面 MRD ：初始材料、1.2% LCF及1.8% LCF。

图4. A位置晶界（GB）的TEM分析：(a)FIB采样位置；(b)衍射斑点标记的位置；(c)晶界衍射图谱；(d)晶界的 HRTEM 图像；(e) HRTEM 左侧晶粒 FFT ；(f) HRTEM 右侧晶粒 FFT 。

图5. 裂纹穿过 Σ3 晶界区域内的晶粒及滑移分数（SF）分布：(a，b) 区域A和B中晶粒的 IPF 颜色图；(c，d) 区域A和B中晶粒的SF分布图，同时标注了相应滑移面的最大SF值（图中线条表示代表性滑移面与 EBSD 扫描平面的交线，线条长度反映了最大SF的相对数值）。

图6. 裂纹附近分支裂纹及晶粒取向的形态学特征

图7. 裂纹扩展机制图像

图8. 不同应变范围内的储存能量密度分布：(a)1.2%；(b)1.4%；(c)1.6%。（单位：J/m²）表5 FIP的定量分析

图9. 应变幅度对累积FIP的尾部统计特性及空间变异性的影响

结论与展望

本研究通过实验表征与晶体塑性模拟，系统揭示了粉末冶金镍基高温合金FGH4098低周疲劳中的组织演化与裂纹损伤机制。结果表明，疲劳寿命与应变幅、位错累积和晶界结构密切相关：随应变幅增加，滞回环面积增大，GND密度升高，疲劳损伤加速积累，寿命显著降低。循环早期，位错增殖与相互作用导致循环硬化；随后，裂纹扩展促进循环软化并最终引发断裂。晶界类型对裂纹传播具有重要调控作用：普通高角度晶界和三叉晶界区域易诱发裂纹偏折与分支，而Σ3孪晶界可促使裂纹停滞或转向，从而表现出一定的阻裂作用。晶体塑性模拟表明，相比等效应力和应变，存储能密度更能准确表征裂纹高风险区域。本研究阐明了“循环塑性变形—位错累积—晶界演化—能量局部化—裂纹扩展”的低周疲劳失效路径，并为粉末冶金镍基高温合金的组织优化与寿命预测提供了机制依据。

通讯作者简介

李恒

西北工业大学材料学院教授，博士生导师，入选国家级领军人才支持计划，LIFE团队负责人。主要研究方向为先进材料极限成形及智能制造。主持国家自然科学基金重点、优秀青年科学基金、军口纵向重点项目等国家级课题 20 余项，在IJP》、IJMTM等发表学术论文100余篇，出版学术专著3部，授权发明专利30余件，获国家技术发明二等奖1项、陕西省科学技术一等奖3项等科研奖项。担任领域顶刊IJP和CJA/航空学报等期刊编委。

巫荣海

西北工业大学材料学院长聘副教授、博导，负责LIFE团队多尺度计算与机器学习方向。主要通过发展分子动力学、位错动力学、相场、晶体塑性、机器学习等方法，解决材料成形、服役中的变形损伤与性能预测相关问题。主持国家自然科学基金、国家重大科技项目课题等项目十余项。以第一或通讯作者在JMPS、IJP、PRB、Scipta Mater.等期刊发表论文二十余篇，授权专利与软件著作权四项。

团队简介

先进材料极限成形智造团队 (LIFE) 依托材料、机械和航宇西北工业大学国家“双一流”重点建设学科和凝固技术全国重点实验室等科研平台，围绕航空、航天、航海、核能等领域高端装备难变形材料加工制备、复杂构件极限成形、智能设计制造开展科学研究与人才培养。团队拥有教师 13 人，3 人入选国家人才计划。主要研究方向包括多能场/全周期/跨尺度成形制造智能建模、管材/型材/板材构件极限成形制造技术、环框/盘/机匣类构件极限成形制造技术、数智化/绿色化成形制造装备/模具与系统等。研究成果获得国家科技二等奖 3 项、陕西省科技一等奖 5 项等科研奖励。