表面纳米化对纯锆疲劳短裂纹细观过程影响机理研究

The initiation and propagation of short fatigue crack of the surface nanocrystallined pure Zr will be characterized and evaluated for the first time in this project, and the micro mechanism of effect of surface nanocrystallization on short fatigue crack initiation and propagation will be studied deeply. 1) Under different stress range, the high resolution micro scope will be used to observe the microscopic morphology and structure of the crack tip, and characteristic of the short fatigue crack initiation and propagation will be analyzed. 2) The microscopic morphology in depth will be characterized at different fatigue stages. Combined with the in site observation, the short fatigue crack initiation and propagation course will be investigated. 3) Based on the quantitative relationship model with short fatigue crack and microstructure, the effects of the grain size, boundary, orientation and twins on the early propagation will be simulated. 4) Combining the experiment with the simulation, evolution rule of surface microstructure during fatigue, and the influence mechanism of surface nanocrystallization on short fatigue crack initiation and propagation will be studied deeply. This study will help better understand the fatigue mechanism and provide guideline for fatigue life prediction of surface nanocrystallized metals. Also, it can promote the development, design and application of the surface nanocrystallized metals.

本项目首次开展对表面纳米化纯锆疲劳短裂纹萌生、扩展行为的测试分析，并针对表面纳米化对疲劳短裂纹细观过程影响机理这一科学问题开展深入研究。首先，改变应力幅，采用高分辨率显微镜对表面纳米化纯锆裂纹尖端的微观形态及精细结构进行原位观测，研究疲劳短裂纹萌生及扩展特征。其次，对不同疲劳阶段试样沿厚度方向微观组织形貌进行表征，并与原位观测结果相结合，分析表面纳米化纯锆疲劳短裂纹萌生、扩展细观过程。再次，基于“疲劳短裂纹与微观组织定量关系模型”，模拟研究晶粒尺寸、晶界、晶粒取向、孪晶等表层微观组织对疲劳短裂纹早期扩展行为的影响。最后，将实验研究与数值模拟相结合，深入研究表面纳米化纯锆疲劳加载过程中表层微观组织结构的演变规律，探究疲劳短裂纹萌生、扩展行为的影响机理。本研究的开展，有利于深化对表面纳米化金属材料疲劳性能的认识，为纯锆寿命预测提供理论依据，推动表面纳米化金属材料的开发、设计和应用。

金属材料的疲劳等失效行为对表面组织结构极其敏感，表面组织优化是提高材料整体性能的有效途径。本项目采用EBSD、TEM、in-situ SEM等技术对表面纳米化工业纯锆塑性变形机制、疲劳过程微观组织演化、疲劳裂纹萌生与扩展行为开展研究。.表面纳米化过程中，在靠近基体低应变层孪晶变形是主要塑性变形机制，产生{101 ̅2}<101 ̅1>、{112 ̅1}<1 ̅1 ̅26>拉伸孪晶；在靠近表层高应变层，位错滑移为主要变形机制，初始孪晶和位错滑移共同协调晶粒变形，将粗晶细化成纳米晶。表层梯度结构存在组织、应变、小角度晶界和位错密度四种梯度。.平行于轧制方向拉伸，以柱面(101 ̅0)[112 ̅0]滑移系为主，其他滑移系共同协调变形；垂直于轧制方向拉伸，以基面(0001)[112 ̅0]滑移系为主，{101 ̅2}<101 ̅1>孪晶和其他滑移系协调变形。裂纹尖端塑性区的小角度晶界占比58.02%、位错密度ρGND =1.66×1014 m-2，位错与小角度晶界缓解了应力集中。裂纹在梯度纳米结构层表面萌生，仅在梯度纳米结构层扩展，不向基体内部扩展。.经USSP处理，表面纳米化工业纯锆疲劳极限提高约26%。表面纳米晶、硬度和残余压应力协同作用抑制了裂纹的萌生。有限元分析表明，表面纳米化疲劳裂纹源萌生于次表层，其深度与应力场由压应力转变为拉应力的深度一致。.改变应力幅，对疲劳短裂纹萌生扩展行为进行原位观测，表层梯度结构提高了疲劳裂纹萌生寿命及萌生寿命占比；提高了疲劳裂纹扩展寿命，降低了裂纹扩展速率。.对不同疲劳阶段沿厚度方向微观组织进行表征，在疲劳加载过程中，表面纳米晶发生不连续生长，减缓了应力集中，提高了裂纹萌生抗力；次表层区域孪晶分数增加明显，亚晶结构发生旋转，小角度晶界减少。表层残余应力不断释放，其释放速率与加载周次呈线性对数关系。.初步建立疲劳性能与应力场、微观组织关系模型，与实验相结合揭示了表面纳米化对疲劳短裂纹萌生、扩展行为的影响机理。