近日，省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室和材料科学与工程学院曹睿教授团队的最新科研成果《Mysterious Failure in Load-Free Superalloys under Repeated Thermal Shocks》在国际金属材料领域TOP期刊Acta Materialia（影响因子7.293）在线发表，校再次以第一作者单位在此期刊上发表科技论文。该论文由曹睿教授团队与美国田纳西大学高雁飞教授团队合作完成，第一作者是受兰州理工大学优秀学生出国（境）学习交流基金资助出国联合培养的博士研究生温俊霞。

该论文针对疲劳裂纹的萌生，提出了低周热冲击下钴基高温合金氧化层从均匀生长演化为局部“指状”形貌的机制，合理解释了无外载情况下钴基高温合金的失效现象。文中指出，随着科技的发展，人们对高温超合金抗蠕变疲劳、抗应力疲劳、抗腐蚀、抗氧化能力提出了更高的要求，尽管人们已对循环载荷下此类合金的高温疲劳失效有了一定的认识，但仍不能较为准确地预测实际应用中蠕变-疲劳-氧化共同导致的失效。此类问题的研究中，人们会经常遇到前所未见的、不可思议的失效模式，和很多疲劳问题一样，疲劳裂纹的萌生机制依然是个老大难的问题。兰州理工大学曹睿教授课题组和美国田纳西大学高雁飞教授课题组，报道了一种没有外加载荷的热冲击疲劳失效机制的力学解释。这项工作是基于对Co-Cr-W高温合金在等温和循环热条件下的氧化行为的对比研究中提出的（图1）。首先，作者对哈佛大学锁志刚院士提出的氧化-扩散-蠕变本构关系（该文命名为Stokes-Herring-Suo模型）进行了拓展，解释了氧化物生长过程中扩散与蠕变的协调作用（图2）导致了表面基体中存在横向的应力和纵向的压缩变形，并且提出氧化应力的建立需要的时间靠蠕变率和弹性模量来控制。在上述基础上，作者进一步分析了氧化层生长的稳定性问题。在一个均匀增厚的氧化层基底上，如果添加形貌扰动，比如局部的短小指状扰动，按照shear lag model，这些指状物承受较大径向压缩，一旦塑性变形后氧化倾向于横向生长，即扰动被抑制（图3）。热冲击过程中，每个热循环时间较短，所以氧化应力的稳态值难以建立，从而这些指状物无法进入塑性状态，导致其倾向于径向生长（图4）。综合上述研究，作者们对无外加载荷情况下的热疲劳失效机制进行了系统阐释，有助于进一步优化合金的设计并提升在极端热、力和腐蚀条件下的使役性能。

该项工作得到了中国国家自然科学基金、兰州理工大学优秀学生出国（境）学习交流基金、省部共建国家重点实验室国际合作交流基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.05.002

【作者简介】

曹睿，女，1977年生，兰州理工大学教授，博士生导师，甘肃省“飞天学者特聘计划”青年学者，主要从事新材料和异种材料的焊接性及腐蚀性、焊缝金属强韧性、金属材料失效断裂行为研究、复合板材制备及连接等科研工作。主持国家自然科学基金项目4项、其他省部级和横向项目17项，参与国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金重点项目、863、973等重大项目6项，发表SCI检索论文70余篇，EI检索论文100余篇。

高雁飞，美国田纳西大学教授，1999年获得清华大学工程力学学士学位及计算机科学第二学位，2003年获得普林斯顿大学博士学位，现任美国田纳西大学教授。主要研究方向为先进结构材料的变形破坏分析，以及极端力学性能研究。担任Materials Today的编委。在Journal of the Mechanics and Physics of Solids和Acta Materialia等国际知名期刊发表学术论文140余篇。