室温下96W合金的高周疲劳性能与裂纹扩展行为：位错、相界及断裂机制的演变

《Materials Science and Engineering: A》：High-cycle fatigue performance and crack growth behavior of a 96W alloy at room temperature: Evolution of dislocations, phase interfaces, and fracture mechanisms

　　

摘要

为研究高密度钨合金在振动环境中的疲劳断裂风险，对96W合金进行了不同载荷下的疲劳寿命测试以及不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率测试。结合扫描电子显微镜、电子背散射衍射和透射电子显微镜分析，通过位错演化、界面失配及断裂模式的变化，揭示了其疲劳断裂机制。该合金在最大循环应力为400 MPa时，疲劳寿命可超过10⁷次循环，表现出优异的疲劳性能。其稳态裂纹扩展速率符合经典的帕里斯定律，同时建立了考虑应力比的统一预测模型。随着最大应力比的增加，γ相中会出现位错堆积，降低其塑性变形能力；W相中则会出现多向的持久滑移带和位错胞。{101}_W晶格间距的增加会提升W/γ界面失配度，导致W相出现大量解理，此外W/γ界面处的位错堆积会加速界面分离，进一步降低疲劳寿命。随着应力强度因子范围的增大，γ相的断裂形态从不连续的条纹和撕裂脊变为凹坑，从而提高疲劳裂纹扩展速率；而W相解理的加剧则会使疲劳裂纹扩展速率进一步提升数个数量级。本研究阐明了疲劳断裂的微观机制，完善了双相复合材料的疲劳理论，为极端条件下的钨合金寿命预测及使用可靠性提供了理论依据和机制支撑。

引言

由于高密度以及出色的强度与韧性平衡，钨合金被广泛应用于国防、航空航天及民用工业领域[1,2]。目前针对钨合金的研究主要集中在成分优化和加工工艺改进上，以进一步提升其强度和硬度[[3], [4], [5]]。在合金设计方面，添加钼、铌、铼或钽等难熔元素，可以有效细化钨晶粒或实现固溶强化，从而使硬度提升11%–34%[[6], [7], [8]]。加入ZrO₂可以形成半相干界面，使得纳米压入硬度提升14.4%，抗压强度提升7.7%[9]。在加工与后续处理方面，微波烧结能够促使断裂模式从晶间断裂转变为带有凹坑的晶内断裂，从而将冲击韧性提升260%[10]；粉末床熔融成型则可通过更高的扫描速度带来的快速冷却效应提升硬度[11]。适当的锻造[12]和旋转锻造[13]工艺则分别通过动态再结晶和加工硬化机制进一步调控材料的强度与延展性。然而，随着应用环境日益复杂，振动载荷下的疲劳断裂已成为钨合金最常见的失效模式之一。因此，循环载荷下的疲劳性能成为决定钨合金部件可靠性的关键因素。目前大多数研究仍集中在提升强度和硬度上，而对疲劳行为及断裂机制的系统性研究还相对不足。

疲劳比是指疲劳极限与抗拉强度的比值，是评估材料抗疲劳性能的重要经验参数，具有重要的工程意义。不同材料的疲劳比差异较大：42CrMo高强钢的疲劳比约为19%–23%[14]，Ti-6Al-4V的疲劳比约为37%[15]，铝合金的疲劳比则在31%–35%之间[16]。Lorenzo等人[17]指出，W-3.5Ni-1.5Cu和W-5Ni-2.5Fe合金的抗拉强度分别为631 MPa和945 MPa，对应的疲劳比分别为33%和45%。虽然高周疲劳通常发生在宏观屈服强度以下，但损伤演化本质上是由不可逆的位错运动和积累所驱动的局部循环塑性变形所控制的[18]。在循环载荷作用下，位错倾向于在特定的滑移面上反复移动，并重新组织成位错胞和位错墙等低能量稳定结构，最终发展为持久滑移带[19,20]。大量研究表明，高周疲劳下的裂纹萌生主要受与局部塑性变形相关的滑移带相互作用的影响。这种由位错驱动的滑移局部化现象对疲劳寿命起着决定性作用[21,22]。对于弹性模量和塑性变形能力存在显著差异的钨合金双相复合材料而言，循环载荷作用下的微观结构演化会对疲劳损伤产生重要影响。揭示应变局部化、位错演化以及相界面在疲劳行为中的作用，为钨合金的耐疲劳设计与加工提供了重要的理论基础。

基于疲劳裂纹扩展行为的损伤容限评估对工程应用同样至关重要。在损伤容限领域，目前全球范围内针对钨合金疲劳裂纹扩展行为的研究仍然较少。钨合金具有较高的疲劳裂纹扩展阈值，且在一定镍含量范围内，其断裂韧性K_IC会随之上升[23]。在韧脆转变区间内，纯钨的裂纹扩展受多种机制的竞争作用控制。在较低温度下，剪切韧带和裂纹桥接等屏蔽机制会显著降低有效的裂纹尖端驱动力。当温度升至773 K时，材料会从“无裂纹扩展”状态转变为“不稳定裂纹扩展”状态[24]。当垂直于轧制方向施加载荷时，冷轧织构可以提高纯钨的裂纹扩展抵抗能力[25]。与纯钨相比，由于存在γ相和W/γ界面，双相钨合金的疲劳断裂行为更为复杂。相界面的分布和结合强度会影响裂纹偏转和屏蔽效果，为优化疲劳性能提供了额外的设计参数。WC-Co硬质合金和钨合金都属于由硬相和软相组成的双相复合材料，它们在裂纹萌生和扩展行为上可能存在相似之处。Serra等人[26]发现，细晶WC-Co的有限疲劳寿命主要由预先存在的缺陷引发的亚临界裂纹扩展所决定，且其疲劳响应对最大应力强度因子的依赖程度要高于对应力强度因子范围的依赖程度。Torres等人[27]进一步表明，WC-Co的疲劳裂纹扩展与最大应力强度因子呈幂律关系。因此，通过明确应力比对96W合金疲劳裂纹扩展速率的影响，并建立纳入应力比效应的统一预测模型，能够更准确地评估材料的剩余寿命，这为振动环境下的钨合金寿命预测提供了重要支持。

为弥补对高密度钨合金疲劳行为及损伤机制认知的不足，本研究制备了一种高强度高韧性的96WNiFeCo合金。系统研究了最大循环应力对合金疲劳寿命的影响，发现其疲劳比超过0.42，展现出优异的疲劳性能，打破了人们认为高密度钨合金抗疲劳性较差的传统观念。此外，还研究了应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响，以及控制疲劳断裂和裂纹扩展的潜在机制。从位错形貌演化、几何必需位错的变化以及界面失配演化等方面阐明了合金的疲劳失效机制。同时揭示了循环载荷作用下微观结构演化与疲劳失效之间的内在联系，填补了在复杂使用条件下理解96W合金疲劳断裂机制的空白。本研究建立了纳入应力比效应的统一裂纹扩展速率预测模型，明确了随着应力强度因子范围增大，W相和γ相的断裂模式会发生怎样的变化。这为高性能钨合金的疲劳寿命预测提供了理论依据和物理模型，对于确保钨合金在极端环境下的使用可靠性具有重要意义。

章节节选

材料与方法

本研究采用钨、镍、铁和钴粉末，通过液相烧结法制备了名义成分为96W–2.52Ni–1.08Fe–0.4Co的钨合金（以下简称96W）。首先将各种粉末充分混合，然后通过冷等静压进行压实。之后在氢气环境中对压坯进行烧结，随后再进行真空热处理[28]。制备得到的96W合金在室温下的极限抗拉强度可达963 MPa，

最大应力比对96W合金疲劳寿命的影响

如图1所示，通过将最大应力值与疲劳寿命进行对比，得出了两者之间的关系。在每个应力水平下进行了三次疲劳试验，以评估疲劳寿命的离散程度。为减少数据分散的影响，避免极端值扭曲拟合结果，对每个应力水平下的疲劳寿命数据进行了统计处理。基于对数正态分布的假设，对试样的寿命进行了分析

循环载荷后的位错与界面演化

图6进一步分析了循环载荷作用下，W相和γ相之间由于应变不匹配所导致的几何必需位错的变化情况。研究发现，96W合金的疲劳寿命与两种相中几何必需位错密度的变化高度相关。在290至650 MPa的范围内进行循环载荷作用后，W相中的几何必需位错密度保持相对稳定，但其数值仍低于γ相中的位错密度。与

结论

本研究系统分析了循环载荷和应力比对96W合金疲劳寿命及裂纹扩展速率的影响，填补了该材料疲劳失效微观机制研究领域的空白，丰富了双相复合材料的疲劳断裂理论，为高性能钨合金的疲劳寿命评估提供了理论依据和预测模型。主要结论如下：

• 1.
  96W合金表现出良好的疲劳寿命

作者贡献说明

王晓燕：概念构建、正式分析、验证、可视化、初稿撰写。王宇：实验研究。周雅琴：资金筹集。王超：方法设计。王旭刚：项目管理。张连新：资源协调。赵富杰：软件应用。吕玉婷：监督指导。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFE03260100）的支持。作者们还要感谢中科科孚（北京）科技有限公司在钨合金微观结构表征方面所提供的关键技术支持。

Xiaoyan Wang|Yu Wang|Yaqin Zhou|Chao Wang|Xugang Wang|Lianxin Zhang|Fujie Zhao|Yuting Lv

中国工程物理研究院机械制造技术研究所，四川绵阳，621900，中国