高分辨率数字图像关联技术揭示碳化物应变局域化与断裂的微观机制

本研究针对航空轴承钢M50中碳化物断裂应变与微观特征的定量关联难题，通过开发金沉积斑点图案增强技术结合扫描电镜高分辨率数字图像关联（HRDIC），首次实现了17种不同尺寸/长径比/圆度碳化物在加载过程中的应变演化原位追踪。研究发现四种断裂模式（I型碳化物内、II型基体、III型界面、IV型瞬时断裂）分别受预存缺陷、尺寸、圆度和长径比主导，并建立复合因子与断裂应变的对数线性关系，为多相合金性能优化提供微观机制指导。

　　

在航空发动机轴承等极端工况应用中，材料失效往往始于微观尺度上硬质第二相的断裂。M50轴承钢作为典型代表，其性能优劣取决于碳化物的调控，但传统研究面临两大瓶颈：一是理想化模拟无法反映真实碳化物（如M₂C的复杂形态）的断裂行为，二是缺乏将微观特征（尺寸/长径比/圆度）与宏观断裂应变定量关联的实验手段。尤其当碳化物尺寸跨越1微米至数十微米、且存在界面缺陷时，现有X射线断层扫描（XCT）和常规扫描电镜（SEM）技术难以捕捉应变演化的动态过程。

为解决这一难题，中国国家自然科学基金资助的研究团队创新性地将金沉积斑点图案优化技术与高分辨率数字图像关联（HRDIC）相结合，在SEM环境下对17个特征各异的碳化物进行亚微米级应变测绘。通过真空感应熔炼制备的M50钢试样经1150℃奥氏体化+1080℃水淬+540℃三次回火处理，采用聚焦离子束（FIB）制备观测面后，开发出可耐受高应变的纳米级金斑点沉积工艺。研究团队在加载过程中以0.2%应变间隔采集图像，通过HRDIC计算获得局部应变场，同步记录碳化物开裂事件。

主要技术方法
研究采用真空熔炼制备M50钢试样，通过热机械处理调控碳化物分布。关键创新在于：1）优化金沉积参数获得亚微米级稳定斑点图案；2）SEM-HRDIC系统实现0.1微米空间分辨率应变测绘；3）结合XCT重构三维形貌验证二维观测结果。统计分析了17个碳化物在四种断裂模式下的临界应变与几何参数关系。

研究结果
Preparation of materials and specimens
通过真空电弧重熔和控轧工艺，获得以M₂C为主（含少量MC）的碳化物分布，长径比沿轧向显著增加。

Microstructural characteristics
EBSD分析显示碳化物集群主要沿轧向延伸，M₂C平均长径比达3.8，圆度（4πArea/perimeter²）分布在0.2-0.9之间，存在明显界面缺陷。

Discussion
发现四类断裂机制：I型（碳化物内部）受预存微裂纹主导，断裂应变离散；II型（基体引发）与碳化物尺寸呈负相关；III型（界面脱粘）由圆度决定，光滑界面使断裂应变提升40%；IV型（瞬时断裂）与长径比>5的尖锐形态强相关。提出复合因子η=(尺寸×长径比)/(圆度×界面强度)，其对数与临界应变呈线性关系（R²=0.89）。

Conclusions
首次建立M₂C碳化物多参数断裂预测模型，揭示：1）10μm以下高圆度（>0.7）碳化物可承受2倍于大尺寸不规则碳化物的应变；2）界面优化比单纯减小尺寸更能提升断裂抗力。该成果为航空轴承钢的"缺陷工程"设计提供定量依据，HRDIC方法可推广至钛合金等多相材料研究。

重要意义
这项工作突破性地将HRDIC分辨率提升至亚微米级，填补了碳化物断裂原位表征的技术空白。提出的复合因子η首次统一了几何参数与断裂应变的定量关系，其预测模型可直接用于热处理工艺优化。特别是发现界面调谐对提升断裂抗力的重要性，为开发新一代长寿命轴承钢指明方向。论文发表于《Journal of Materials Science》，为多相材料失效分析树立了新范式。