北航新闻网3月21日电（通讯员 刘亦泽）锆（Zr）及其合金因其低中子吸收截面、优异的高温力学性能和卓越的抗腐蚀能力，被广泛应用于核反应堆包壳材料。然而，在服役过程中，锆合金包壳材料易受到循环载荷的影响，从而引发疲劳损伤，影响其服役寿命和安全性。针对这一问题，北京航空航天大学能源与动力工程学院万维锋助理教授、闫晓军教授团队在固体力学著名期刊《International Journal of Plasticity》上发表了题为“Mechanistic insights into twinning and detwinning during fatigue short crack growth in zirconium alloys”的研究论文。该研究系统揭示了孪晶-退孪晶塑性变形机制对锆合金疲劳短裂纹扩展的影响，为提高锆合金的抗疲劳性能提供了重要的微观力学依据。

图1 EBSD表征锆合金裂纹尖端孪晶晶体学取向

本研究在微/介观尺度上对锆合金疲劳短裂纹扩展过程中的微观组织进行了系统表征，结合高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和高分辨率电子背散射衍射（HR-EBSD）技术，精准分析了裂纹尖端的孪晶类型及晶体学取向关系，并首次在原子尺度上观察到锆合金孪晶界的演化特征。此外，研究团队采用数字图像相关技术（DIC）测量裂纹尖端的局部应变分布，并结合储能密度计算，定量评估了孪晶-退孪晶机制对疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明，孪晶的形成会显著提高裂纹尖端的局部应力水平，加速短裂纹扩展，同时孪晶-退孪晶机制进一步恶化材料的疲劳寿命。

图2 高分辨TEM表征锆合金孪晶界

值得注意的是，该研究还揭示了晶体取向对孪晶行为的影响，发现相比于Y型试样（密排六方晶体c轴沿Y方向取向），Z型试样（密排六方晶体c轴沿Z方向取向）更易发生孪晶，并导致疲劳裂纹扩展速率更早地上升。此外，在Z型试样中，裂纹扩展过程中局部应力状态的变化导致了孪晶的逆转，即退孪晶现象的发生，这一发现为后续开发基于孪晶调控的抗疲劳设计策略提供了新思路。

图3 微观尺度力学分析揭示孪晶-退孪晶机制

该研究由北京航空航天大学能源与动力工程学院牵头，哈尔滨工业大学和谢菲尔德大学等单位参与。研究得到了国家自然科学基金和国家重大科技专项的资助支持。近年来，研究团队先后在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》(JMPS)、《International Journal of Plasticity》(IJP)等固体力学和材料科学领域著名期刊上连续发表多篇长篇幅论文，系统性地阐释了金属疲劳裂纹萌生和扩展的微/介观机理。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104210

（审核：闫晓军）

编辑：贾爱平