铝合金疲劳裂纹扩展行为的微结构作用机理

Electron Backscattered Diffraction (EBSD), Transmission Electron Microscope(TEM) and in situ Scanning Electron Microscope(SEM) will be used to investigate influences of grains, boundaries, and second phase particles on the process of fatigue crack propagation and relative mechanisms. Influence discipline of grain structure, slip system equivalence, crystallographic orientation, interactions of particles, dislocation and grain boundaries on crack propagation will be interpreted. Thus relationship between microstructure and fatigue fracture will be verified and microstructure adaptation mode for resistance of fatigue crack propagation under cyclic loading will be established. Moreover, conditions for path choice in process of crack growth and the necessity and mechanisms of it will be discussed. From this, models for fatigue crack propagation could be built. Anticipated research findings of this project will provide foundation support and ideas to researches about inhibition of crack growth rate and fatigue failure retardation. In addition, these findings can also be utilize in similar alloys and improve fatigue crack growth prediction theory.

本项目以B93铝合金为研究对象，以微观组织因素为切入点，运用电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜和扫描电子显微镜原位观察等技术手段对疲劳裂纹扩展过程中晶粒、晶界及第二相粒子等微结构的作用机理进行了深入研究。详细阐释了晶粒结构、滑移系等效性、晶体学取向、相粒子与位错及位错与晶界间的交互作用等对疲劳裂纹扩展的影响规律，搭建起微结构与疲劳裂纹扩展之间的桥梁，确立循环加载条件下抗疲劳裂纹扩展的微结构适配模式。探讨疲劳裂纹扩展路径选择的优先条件及其必然性的内在机理，并依此构建疲劳裂纹扩展路径选择的统一模型。预期研究成果可为抑制疲劳裂纹扩展速度、延缓材料失效进程研究提供切实可行的基础支持和设计思路，并可推广应用于其它同类型合金，进一步发展完善疲劳裂纹扩展预测和控制理论。

疲劳问题作为机械材料工程领域的一个“老”问题，由其引发的工程失效事故却一直都是新的存在。据统计，在机械零部件的断裂失效总数中疲劳失效占50～90%，而在某些特殊领域甚至占80～90%。对于材料工作者而言，开展疲劳失效分析及其延寿机理方面的研究，阐释疲劳裂纹扩展的基本规律及其内在影响机制无疑是十分迫切且必要的。同时，减少疲劳失效事故的发生，保障人们的生命和财产安全，都具有重要的社会和经济效益。.该项目主要开展了铝合金微结构对疲劳裂纹扩展行为方面的机理研究。通过SEM、EBSD和TEM等观测手段，获取疲劳裂纹附近相关晶粒的微观形貌、晶体学取向、粒子结构等基本信息，研究疲劳裂纹的扩展、偏折、分叉和终止等行为与晶粒取向、晶界结构及第二相粒子等微结构之间的内在交互作用，深入阐释了微结构对疲劳裂纹扩展路径行为选择的影响规律。.研究发现，疲劳裂纹扩展过程中，扩展路径上相邻晶粒间的微取向差较小，前面晶粒的有效滑移面更易于裂纹扩展，那么疲劳裂纹将会选择越过晶界，偏转一个很小的角度在下一个晶粒内穿晶扩展。如果相邻两个晶粒间的有效滑移面不能形成小角度的面间角时，裂纹不能直接穿越晶界，而是倾向于沿晶扩展。裂纹扩展至晶界位置处，相比于扭转通过裂纹前缘的简单偏转对扩展更有利，基于此建立了疲劳裂纹扩展路径优先选择的扭转-偏转模型。同时，材料加工过程中的粗大破碎粒子、与周围基体应变协调性差而脱粘的硬质相粒子以及晶界或沉淀物附近的位错塞积引发的应力集中等均有可能萌生微裂纹，这些微裂纹在后续竞争扩展过程中虽然不一定能成为主裂纹，但在裂纹扩展路径选择过程中会起到诱发偏转、桥接连通以及汇合主裂纹等重要影响作用，局部改变裂纹扩展方向，从而影响裂纹扩展速率。.通过项目研究，揭示了疲劳裂纹扩展的内在必然选择规律，建立了疲劳裂纹扩展路径优先选择的扭转-偏转模型，并深入阐明了合金微结构与疲劳裂纹扩展行为间的内在交互作用机理。