残余应力分布对表面纳米化金属材料疲劳性能的影响机理研究

本项目以表面纳米化工业纯锆为研究对象，围绕其疲劳性能深入开展研究。首先，采用SMAT技术制备表面纳米化工业纯锆，分别改变应力振幅和平均应力测试其疲劳极限，表征不同疲劳变形阶段沿厚度方向不同深度平面内的微观组织结构和残余应力分布，分析疲劳裂纹的萌生和扩展行为，通过实验,研究平面内残余应力分布、变化规律，探讨微观组织结构对残余应力分布的影响机理，探究残余应力分布对疲劳极限及疲劳裂纹萌生、扩展行为的影响机理。其次，在实验研究的基础上，采用"量子化"晶体塑性模型对残余应力分布进行数值模拟，获得裂纹萌生时表面形貌的演变机理。最后，将实验研究和模拟分析相结合，全面、深入得分析残余应力分布对疲劳性能的影响机理。本研究有利于深化对表面纳米化金属材料疲劳行为及疲劳机理的认识，有助于更全面得揭示其变形行为和变形机理，对于推动表面纳米化金属材料的开发、设计、应用具有重要意义。

疲劳断裂是造成航空、桥梁及车辆工程等领域发生严重事故的重要原因之一，疲劳在材料失效分析、材料性能与发展和工程设计中有着重要作用与影响。锆及其合金由于其优越的性能被广泛用于核电站燃料元件包壳材料，作为结构部件，是反应堆第一道安全防护层，有必要对其疲劳性能进一步深入研究。 .金属材料的疲劳、腐蚀和磨损等失效行为大多发生在材料的表面，对材料表面的结构和性能极其敏感，本项目采用SMAT技术制备了表面纳米化工业纯锆，围绕残余应力对其疲劳性能的影响机理开展了系统研究，深化了对表面纳米化密排六方结构金属材料疲劳行为及疲劳机理的认识，对于推动表面纳米化金属材料的开发、设计、应用具有重要意义。.首先，分析了不同处理时间下残余应力的分布特征，结合连续介质力学和FEM分析方法探讨了残余应力的分布规律。研究表明，表面残余应力并不随处理时间的延长而增强；最大残余压应力远远高于材料的屈服强度，并且其深度与处理时最大剪切应力的位置接近。同时，基于衍射峰宽化分析和TEM观察研究了微观畸变、晶块尺寸、位错密度的分布特征，分析了微观组织结构与残余应力分布的关系。研究表明残余应力与衍射峰半高宽（FWHM）、位错密度分布呈现非线性的关系。.其次，设计了用于小试样四点弯曲疲劳实验的夹具，测试了表面纳米化工业纯锆不同应力比的S-N曲线，探讨了平均应力和应力比对疲劳性能的影响；研究了不同应力幅对疲劳寿命的影响。研究表明当应力比R=0.1，随着处理时间的增加，试样疲劳极限先增大后减小，其中处理45min试样的疲劳极限提高最大，比原始试样提高了23%；疲劳寿命随应力幅的减小而增大，直至达到疲劳极限；在相同疲劳寿命的情况下，应力幅随着平均应力的增大而减小。.最后，开展了裂纹扩展实验，研究了经过不同时间处理后裂纹的扩展速率；并利用X射线衍射法分析了经过不同循环周次后的残余应力分布。研究表明，SMAT试样的疲劳裂纹多萌生于试样的次表层，且SMAT处理有效抑制了裂纹扩展；残余应力在疲劳过程中发生了明显释放，但表层位错密度仍远高于基体；表层的纳米结构、高密度位错和残余压应力是试样疲劳性能获得改善的因素。