铬涂层锆合金的应力敏感疲劳寿命研究：涂层裂纹密度作用机制

《Surface and Coatings Technology》：Stress-sensitive fatigue life of Cr-coated zirconium alloy: role of coating crack density

本综述系统阐述了Cr涂层锆合金的应力敏感疲劳失效机制与寿命预测模型。研究通过原位实验证实涂层脆性开裂会显著降低基体疲劳寿命，且这种劣化效应呈现明显的应力依赖性。创新性地建立了饱和裂纹密度(ρ*)与最大循环应力(σmax)的线性关系，并首次将二者协同耦合机制融入晶体塑性有限元模型(CPFEM)，以临界晶粒区域累积能量耗散(AED)作为疲劳指示参数(FIP)，实现了涂层/未涂层锆合金疲劳寿命的统一预测。

　　

Highlight

通过整合J_B积分计算与晶体塑性有限元模型(CPFEM)，本研究首次揭示了Cr涂层裂纹密度(ρ^*)与最大应力(σ_max)的协同耦合机制如何主导锆合金的疲劳寿命衰减。

Fatigue life curves

如图3所示，Cr涂层在25°C环境下会降低锆合金的疲劳寿命。特别值得注意的是，这种疲劳寿命的降低程度表现出明显的应力水平依赖性，在不同最大应力幅值(σ_max)下呈现特征性表现。具体而言，当σ_max接近480MPa时，涂层与未涂层试样的疲劳寿命相当；然而在较低σ_max值时出现显著分化：Cr涂层锆合金的疲劳寿命随着应力降低而急剧下降。

Cleavage fracture triggered by brittle-coating cracking at interfaces

图6对比了未涂层与Cr涂层锆合金疲劳断裂后的形貌特征。未涂层合金表现出以韧窝结构为主的典型韧性断裂行为（图6c,d）。令人惊讶的是，Cr涂层试样展现出独特的三区断裂特征（图6a,b）：（i）涂层层呈现具有清晰多面体晶界的沿晶断裂；（ii）界面基体区域表现为脆性解理断裂形貌。

Conclusion

通过不同σ_max下Cr涂层Zr合金的原位疲劳测试，结合J_B积分/CPFEM综合分析，本研究阐明了Cr涂层裂纹驱动锆基体疲劳退化的应力调控机制。主要结论包括：

1）关键发现：将σ_max从402MPa提升至485MPa时，ρ从5.7mm^-1增加至19.9mm^-1，确立了ρ与施加σ_max之间的线性比例关系。ρ^*和σ_max的这种协同作用决定了主要的疲劳失效机制。