综述：VHCF状态下细粒区的形成与特征

《Materials Science and Technology》：The formation and characteristics of fine granular areas in the VHCF regime – A review

　　

虽然对于承受低周和高周疲劳载荷的部件，表面失效是主要机制之一，但超高周疲劳（VHCF）状态下则以亚表面裂纹萌生为主，裂纹形核发生在材料内部。这种亚表面失效通常表现为局部晶粒细化，在应力集中体附近形成纳米晶层。这些区域被称为细粒区（FGAs），并且研究表明其形成对绝大部分疲劳寿命起决定作用。本综述旨在总结目前对FGA形成的认识。综述识别并讨论了影响所提出的形成机制的若干参数。此外，还指出了与白蚀裂纹（WECs）在形貌和机制上的相似性。最后，讨论了未来FGA研究的关键挑战与机遇。

引言
在轴承钢等安全关键部件的设计与制造中，全面理解疲劳行为至关重要，因为这类材料通常承受循环载荷。此类高应力部件广泛存在于交通运输、能源和建筑等工业领域，常长期处于低应力幅作用下，循环次数往往超过10⁷次，落入传统疲劳极限范畴。然而，自20世纪90年代末以来，已证实材料失效也可能发生在明显低于常规疲劳极限的应力水平下，即超高周疲劳（VHCF）状态，设计时必须考虑这一因素以避免灾难性后果。在VHCF中，裂纹通常从亚表面缺陷（如非金属夹杂物（NMIs））起源，并在缺陷邻近区域形成细粒区（FGA）。本综述梳理了FGA的形成机制，讨论了影响亚表面裂纹萌生的多种参数，并指出了研究空白。

VHCF与断裂行为
VHCF的定义
August W?hler于1870年首次系统研究疲劳特性，发现循环载荷下材料失效可发生在远低于抗拉强度的应力水平。相同材料与几何尺寸试样的测试结果以W?hler曲线（S-N曲线）表示，通常分为低周疲劳（LCF）、高周疲劳（HCF）和VHCF三个区域。LCF由高应力幅和低循环次数（约10⁴次以内）组成，Coffin-Manson方程描述其塑性应变累积。Basquin证明在约10⁴至10⁶或10⁷次之间，应力幅与疲劳寿命呈双对数线性关系，即HCF。长期以来，受测试时长限制，该范围以外数据稀少。对于体心立方（bcc）材料曾假设存在确定疲劳极限，S-N曲线呈水平渐近线（I型）；面心立方（fcc）和密排六方（hcp）材料则以较小斜率继续下降（II型）。20世纪70年代末，高频测试设备的发展使极高循环次数测试成为可能，超声疲劳测试机可在20 kHz频率下进行至10¹⁰次循环，从而揭示超过10⁹次仍会发生失效，即VHCF。术语还包括gigacycle fatigue、ultrahigh-cycle fatigue等。

VHCF中的断裂行为与断口形貌
疲劳断裂行为可分为表面或亚表面裂纹萌生两种。LCF以表面裂纹为主，而VHCF主要表现为亚表面裂纹萌生。缺陷密度较高的材料（如增材制造中的气孔或未熔合）在HCF中也可能出现亚表面裂纹萌生。Murakami和Nishijima于1999年提出了扩展的S-N曲线，显示内部失效可在传统疲劳极限以下发生。Mughrabi按材料特性将其分为两类：延性无缺陷材料（I型）在VHCF中表面萌生，含内部缺陷材料（II型）则亚表面失效。循环应力强度因子（SIF）由线弹性断裂力学（LEFM）描述，量化裂纹尖端前方塑性区内的应力集中。Murakami等将Irwin方法简化应用于高强度钢内部失效，得到公式ΔK=0.5·Δσ√(π·area)（公式2.1），其中Δσ为应力范围，area为垂直于载荷方向的裂纹萌生缺陷投影面积。超过疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th（高强度钢为4–6 MPa·m^1/2）后，长裂纹方可扩展。亚表面裂纹萌生产生特征“鱼眼”断口形貌：中心为裂纹萌生缺陷（常为NMI），其距表面深度为d_NMI，紧邻缺陷处存在粗糙细粒区（FGA），而鱼眼外部区域通常光滑或带有放射状脊线。

细粒区
FGA的特征
FGA在亚表面出现，可在断口中于内部缺陷周围观察到。Sakai等人在扫描电子显微镜（SEM）下将其命名为“细粒区”（fine granular area, FGA）；Murakami等人称其为“光学暗区”（ODA）；Shiozawa等人称其为“粒度明亮面”（GBF）；Ochi等人称其为“粗糙面”（RSA）。FGA尺寸与疲劳寿命正相关：应力幅降低导致寿命延长，FGA尺寸增大。通过调整Murakami方程计算夹杂物处的ΔK_NMI和包含夹杂物的FGA前沿的ΔK_FGA（公式3.1、3.2），发现ΔK_FGA对应于稳态裂纹扩展门槛值ΔK_th，因此FGA内裂纹扩展速率极慢。Hong等人利用Paris方程证明FGA形成对应的裂纹萌生阶段占总疲劳寿命的95%以上；Nakamura和Xue等人通过同步辐射X射线计算机断层扫描（SR-CT）也验证了这一结论。分析FGA的常用技术包括SEM-电子背散射衍射（EBSD）、透射菊池衍射（TKD）、透射电子显微镜（TEM）选区衍射（SAD）、原子探针断层扫描（APT）等，样品常采用聚焦离子束（FIB）制备。

FGA形成的推测机制
氢脆
Murakami等人最早提出FGA形成与氢脆相关。热处理高强度钢中，氢易在夹杂物与基体界面处被捕集，叠加残余拉应力与循环应力，有助于萌生短裂纹，形成夹杂物周围的粗糙表面。达到临界尺寸后，无需氢辅助即可进行长裂纹扩展。对比不同氢含量试样发现，氢含量升高显著降低疲劳强度和疲劳极限；约70%充氢试样中断裂的夹杂物（氧化铝）表明氢还参与夹杂物破坏。此外，<10⁶次循环的亚表面失效断口中很少观察到FGA，说明反复循环应力与捕集氢共同作用。

球状碳化物的弥散脱粘
Shiozawa等人提出球状碳化物与基体脱粘的机制。对100Cr6轴承钢（硬度750 HV±13.4 HV）的SEM、扫描探针显微镜和电子探针分析显示，FGA内的粗糙表面源于球状碳化物从基体脱粘。该过程包括：夹杂物附近碳化物/基体界面失去结合而产生多个微裂纹；循环加载使微裂纹扩展并合并；缓慢形成粗糙表面后，FGA达到临界尺寸，实现不受微观组织影响的稳态裂纹扩展，产生典型鱼眼图案。FGA表面残留碳化物或孔洞，粗糙度与球状碳化物尺寸相近。

粘附与冷焊
Oguma和Nakamura基于双相（α+β）Ti6Al4V合金（硬度316 HV）的紧凑拉伸试样试验，在高真空下观察到断口上的颗粒区域，而空气或中真空下无此特征。裂纹面在卸载时发生金属-金属直接接触，导致局部晶粒细化和冷焊，后续循环中裂纹路径变化产生细小凸起和粗糙度。真空压缩-压缩疲劳试验进一步显示，接触表面下方发生晶粒细化，表明高循环次数导致位错胞形核和动态再结晶。该机制强调交替的晶粒细化与接触面粘附。

多边形化
Sakai等人基于100Cr6轴承钢（750–795 HV）的研究提出多边形化机制。通过扫描离子显微镜（SIM）和S