Autor: ESCOBAR MORENO, Ignacio José
Título: Deformation and crack initiation mechanisms under low-cycle fatigue in Ni-based superalloys
Fecha: 2026
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
Departamento: CIENCIA DE LOS MATERIALES
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/95646/
Director/a(s):
- Director/a: LLORCA MARTÍNEZ, Francisco Javier
Resumen: Ni-based superalloys are essential for components operating under high stress, elevated thermal and extreme mechanical conditions in corrosive industrial environments. These materials frequently experience cyclic loading during service, and approximately half of mechanical failures originate from fatigue-related damage. A thorough understanding of how microstructure influences deformation and failure mechanisms under these conditions is crucial for developing alloys with enhanced fatigue resistance. Recent advances in characterization techniques, including slip trace analysis, electron backscatter diffraction, and high-resolution digital image correlation, have provided valuable insights into the deformation behavior of other metallic systems such as magnesium, titanium, and precipitation-hardened Ni-based superalloys. These studies reveal that plastic strain tends to localize from the first fatigue cycle near long twin boundaries where the slip systems in the parent grain parallel to the twin boundaries are favorably oriented for slip. Afterwards, these locations lead to crack initiation and highlighted how that microstructural features are critical factors limiting the fatigue life. Nevertheless, there is not a detailed analysis of the fatigue crack nucleation mechanisms in other Ni-based alloys, such as solution-hardening or novel precipitation-hardening alloys. The thesis aims to investigates the role of the microstructural features the deformation and fatigue crack initiation mechanisms in Ni-based superalloys subjected to low-cycle fatigue at room temperature. The study compares solution-hardened alloys (Inconel 600 and Hastelloy C276 alloys) and a precipitation-hardened alloy (Haynes 244 alloy) to understand how microstructure influences cyclic plasticity and crack nucleation. Based on advanced microscopy techniques, the research identifies the specific roles of grain boundaries, annealing twin boundaries, and deformation twin boundaries in the deformation mechanisms and crack initiation places of the two types of alloys. In solution-hardened alloys, cyclic deformation is accommodated by planar slip on {111}<110> systems, with slip transfer or blocking at GBs and TBs depending on the alignment between both traces at the boundaries. Crack nucleation occurs mainly at high-angle GBs and TBs where slip transfer is blocked, causing localized stress accumulation. Heat treatment in Inconel 600, which increases grain size and promotes carbide precipitation at GBs, enhances crack initiation along these boundaries but confirms that the grain boundary misorientation angle, rather than grain size, predominantly determines fatigue behavior. In the precipitation-hardened Haynes 244 alloy, plastic deformation occurs primarily through deformation twins rather than dislocation slip. These twins increase in number with the fatigue cycles and maintain their small thickness. Twinning and detwinning is observed in the tension and compression part of the first cycle. Cracks nucleate at GBs, annealing TBs, and deformation TBs where twin transfer is blocked, or they propagate parallel to deformation twins, even when transfer across annealing twin boundaries occurs. RESUMEN Las superaleaciones a base de Níquel son esenciales para los componentes que operan bajo altas tensiones, temperaturas elevadas y condiciones mecánicas extremas en entornos industriales corrosivos. Estos materiales experimentan con frecuencia cargas cíclicas durante el servicio, y aproximadamente la mitad de las fallas mecánicas se originan por daños relacionados con la fatiga. Una profundo conocimiento sobre cómo la microestructura influye en los mecanismos de deformación y fallo bajo estas condiciones es fundamental para desarrollar aleaciones con una mayor resistencia a la fatiga. Los avances recientes en las técnicas de caracterización, como el análisis de trazas de deslizamiento, la difracción de electrones retrodispersados y la correlación digital de imágenes de alta resolución, han proporcionado información valiosa sobre el comportamiento de deformación en otros sistemas metálicos, como el Magnesio, el Titanio y las superaleaciones de Níquel endurecidas por precipitación. Estos estudios revelan que la deformación plástica tiende a localizarse desde el primer ciclo de fatiga cerca de los bordes de macla largos, donde los sistemas de deslizamiento en el grano original, paralelos a los bordes de las maclas, están orientados favorablemente para el deslizamiento. Posteriormente, estas ubicaciones conducen a la iniciación de grietas y resaltan que las características microestructurales son factores críticos que limitan la vida a fatiga. No obstante, no existen análisis en otras aleaciones de níquel, como las endurecidas por solución sólida o las nuevas aleaciones endurecidas por precipitación. Esta tesis doctoral tiene como objetivo investigar el papel de las características microestructurales en los mecanismos de deformación e iniciación de grietas por fatiga en superaleaciones de base de níquel, sometidas a fatiga de bajo número de ciclos a temperatura ambiente. El estudio compara aleaciones endurecidas por solución sólida (Inconel 600 y Hastelloy C276) y una aleación endurecida por precipitación (Haynes 244) para comprender cómo la microestructura influye en la deformación cíclica y la nucleación de grietas. Mediante técnicas avanzadas de microscopía, la investigación identifica los roles específicos de los bordes de grano, los bordes de maclas y los límites de maclas formadas tras la deformación, en los mecanismos de deformación y los sitios de iniciación de grietas en ambos tipos de aleaciones. En las aleaciones endurecidas por solución sólida, la deformación cíclica se acomoda mediante deslizamiento planar en los sistemas {111}<110>, con transferencia o bloqueo de las dislocaciones en los límites de grano (GBs) y los límites de maclas (TBs), dependiendo de la alineación entre ambas trazas en las fronteras. La nucleación de grietas ocurre principalmente en bordes de grano de gran ángulo de desorientacion y en TBs donde la transferencia de dislocaciones está bloqueada, lo que provoca una acumulación localizada de tensiones. El tratamiento térmico del Inconel 600, que incrementa el tamaño de grano y promueve la precipitación de carburos en los bordes de grano, favorece la iniciación de grietas a lo largo de estos bordes, pero confirma que el ángulo de desorientación del borde, más que el tamaño de grano, determina predominantemente el comportamiento a fatiga. En la aleación Haynes 244 endurecida por precipitación, la deformación plástica ocurre principalmente mediante la formación de maclas de deformación, en lugar del deslizamiento por dislocaciones. Estas maclas aumentan en número con los ciclos de fatiga y mantienen su espesor. Se observa maclado y desmaclado durante las fases de tensión y compresión del primer ciclo. Las grietas se inician en los bordes de grano, bordes de macla y bordes de maclas de deformación donde la transferencia de maclas está bloqueada, o se propagan paralelas a las maclas de deformación, incluso cuando ocurre transferencia a través de los límites de maclas de recocido.