基于同步辐射X射线成像的铝合金高温时间相关三维损伤破坏研究

Traditional research of creep crack growth is mainly based on two-dimensional surface cracks. But the damage detected on the surface is different from that in the interior of a material because of the stress-strain difference in the bulk and on the surface. In fact, interaction between the creep crack and grain boundary is three-dimensional (3D). Hence, it is necessary to perform 3D analysis of crack-face, grain boundary and grain orientation. It is synchrotron radiation X-ray imaging technology that provides a method of in-situ and real-time, and also 3D observation of the internal damage of materials. The Grain Boundary Engineering (GBE) provides a method for adjusting the orientation of the grain boundary, so 3D interaction between creep crack and grain boundary can be studied. In this proposal, high temperature heat-resistant alloys will be selected. Samples with different grain-size, aging state and special grain boundary structure are used for in-situ, real time observation to record the creep creep state, and some test will be interrupted for keeping the state for micro computed tomography (μ-CT). μ-CT is used for 3D reconstructing of interrupted samples with different creep crack state by interrupting test. Electron back scattering diffraction will be adopted to detect the orientation of each grain along the crack propagation path. In this proposal,the relationship of both creep crack crystallographic propagation and local micro-crack growth rate to grain-size, aging state and GBE grain boundary will be studied. Branch crack formation mechanism will be studied. And 3D interaction mechanism of creep crack and grain boundary will be clarified. The research work can be used to verify existing 3D creep crack growth models or create a new one, and promote the development of fracture mechanics of creep crack growth.

传统蠕变裂纹扩展研究主要基于二维表面裂纹，但由于应力状态不同，实际上从表面观察到损伤与内部有很大差别。蠕变裂纹与晶界之间实际是三维交互作用，因此需要对裂纹面、晶界面及晶粒取向进行三维分析研究。同步辐射X射线成像技术提供了对材料损伤破坏原位实时以及对材料内部进行三维观察的手段，晶界工程提供了调整晶界取向的方法，使蠕变裂纹与晶界三维交互作用研究成为可能。本项目选用高强度耐热铝合金，制备具有不同晶粒大小，时效状态及特殊晶界结构的样品，进行原位实时成像记录蠕变裂纹扩展，部分试样中断实验，运用显微断层扫描对中断试样进行三维重构，采用电子背衍射对裂纹扩展路径各晶粒取向进行测定表征。研究晶粒大小，时效状态和晶界工程特殊晶界与材料晶体学扩展及局部微裂纹扩展速率关系，建立分枝裂纹形成机制，阐明裂纹与晶界三维交互作用机制。验证已有或建立新的三维蠕变裂纹扩展模型，发展蠕变裂纹扩展断裂力学。

由于金属的不透明性，传统上对于材料蠕变裂纹扩展研究对象主要是二维表面裂纹。但由于应力状态不同，实际上从表面观察到损伤与内部有很大差别。迄今为止对于三维蠕变裂纹研究非常少，且多是模拟研究。同步辐射技术高能量和高时间空间分辨率给无损探索金属内部提供了全新的视野。本项目提出利用耐热高强铝合金作为研究对象，针对含裂纹2219铝合金损伤破坏研究中，通过裂纹扩展速率与断裂力学参量进行关联，建立扩展速率表述方法。在本项目研究表明，蠕变裂纹扩展断裂力学控制参量为C*。在同步辐射研究中，考虑到实验内容与有限机时的非调和性，本研究中采用了中断实验的方案。利用三维重构软件Avizo对扫描切片进行重构并提取裂纹和空洞，发现三维裂纹首先在材料内部产生，然后向表面和前方同时扩展，也就是，虽然此时在表面并未观测到裂纹，但是实际上材料内部已经产生了损伤破坏。同时还发现，裂纹尖端附近区域不仅有大量与主裂纹成45°角分布的小尺寸蠕变孔洞，而且还有一些体积相对较大且的微裂纹与孔洞联合长大行程的独立分支裂纹，我们建立了简单模型进行描述。.本项目还采粉末冶金法制备了SiC/Al复合材料，并进行压缩蠕变实验，用同步辐射断层扫描对SiC/Al复合材料蠕变试样进行研究，发现越接近试样中部，损伤越多。应变的增加伴随着大量微小孔洞的生成，而较大体积的孔洞是原有孔洞的生长或相邻孔洞的合并行程，随着孔洞体积的增加，其对应的孔洞数量急剧减少。蠕变孔洞趋于在SiC与2219Al基体的结合处产生，沿着与施加应力垂直的方向长大，同时小的孔洞聚集形成较大的楔形孔洞。由于孔洞趋于沿与施加应力垂直的方向生长，孔洞周围局部应力状态也逐渐增强，导致有效横截面积的损失比纵向截面更快更大。.部分粉末冶金原料铝合金为本项目组结合本项目要求开发的新的粉体制备方法制备，利用单分散微液滴进行离心雾化获得，这种方法制备的粉体粒径小，球形度高，粒径偏差也较小，用这种粉体制备的复合材料进行了部分研究工作。