镍基单晶高温合金微结构相关疲劳小裂纹萌生和扩展机制

Nickel-based single crystal superalloys have excellent mechanical strength at high temperature and creep resistance, so it becomes the preferent material for blad in advanced turbine of airplane and energy devices. Tne deep investigations on the behavior of small crack initiation and growth of high temperature fatigue that correlate with material's microstructure have important theoritical significance and engineering value. The in-situ SEM fatigue test will be performed to observe the anisotropical fatigue behavior of single crystal alloy on different crystal orientations and at different temperature. Associated with the microstructure observation at the fatigue-fracture section by TEM method, a damage evolution model and a defornation constitution model with cyclic loading will be established. In these models the crystal slip system, dislocation form and density, inclusion size and sharp, phase structure are intervened as characteristic coefficients. The mechanisms of small crack initiation and grouth will be explained by temperature sensibility of materials at different high temperature ranges, and inbeing and evalueing rule of fracture mode from crytical slip to normal stress control when the temperature increases. The aim will also focus on the development of fatigue life prediction approach. the approch can describe the influences of loading range, temperature and stress ratio on the small crack fatigue life. Associated with long crack propagation model, the base theory and calculating method can be offered to fatigue strength design of the components used at high temperature.

镍基单晶高温合金以其出色的高温强度和抗蠕变性能，成为先进航空发动机和燃气轮机叶片等关键部件的首选材料。研究镍基单晶的微结构相关高温疲劳微小裂纹萌生和扩展的规律，具有重要的理论意义和工程应用价值。采用在电子扫描电镜下的实时观测疲劳试验方法，得到单晶合金不同晶体取向和不同温度下的各向异性疲劳性能。结合透射电镜等疲劳断口区的微观观测和分析，建立和微结构表征相关的小裂纹扩展损伤演化模型和循环加载形变本构模型，其中包括晶体滑移体系，位错形态和密度，夹杂特征，增强相结构等所起得作用。确定温度敏感相关的不同高温区域微小裂纹萌生和扩展机制，给出随温度升高损伤机制由晶体滑移破坏向正应力为主破坏的物理本质和评判准则。建立与微观力学参数相联系的疲劳寿命预测模型，能够描述在不同载荷、温度和应力比下小裂纹萌生和扩展的寿命。结合宏观裂纹扩展规律，将为高温部件疲劳强度设计提供理论依据和计算模型。

利用原位SEM实时观测了600℃镍基单晶高温合金在不同第二晶向下的疲劳裂纹萌生过程，通过晶体塑性有限元模拟研究了第二晶向对疲劳裂纹萌生的影响。试样存在着显著不同的裂纹起源模式：对于第二晶向为[010]的试样，疲劳裂纹起源于与加载轴成45°夹角的滑移线密集处，沿着45°方向开裂，并在滑移线分区的分界线处发生偏折；对于第二晶向为[110]的试样，裂纹起源于与加载轴垂直的滑移线密集处，并沿着水平方向开裂。晶体塑性有限元模型较好地预测镍基单晶高温合金不同晶向、不同温度下的循环塑性行为。通过晶体塑性有限元模拟得到了主导滑移系/滑移线分布图，较好地预测了滑移线分布、裂纹起源位置、裂纹开裂方向。.对定向凝固高温合金在不同温度下的低周疲劳进行了相关的实验以及分析，温度在550℃到700℃范围内，疲劳寿命随温度上升呈现出增长的趋势，当温度高于700℃后，疲劳寿命随温度上升呈现出下降趋势。发现了该镍基合金低周疲劳断裂模式转变的大致温度，在650℃到700℃之间。通过微观分析，发现在675℃时裂纹萌生于时间表面，先沿着晶体学面扩展，然后沿I型断口面扩展，结合了两种扩展模式，然后断裂。且沉淀相呈现出在低温时剪切变形，而在较高温度呈现流动变形的特征，说明是位错由剪切沉淀相向绕过沉淀相的变形机制转化。.在JSME微动疲劳实验方法的基础上对夹具进行了修改，开展了基于SEM原位实时观测的微动疲劳实验。实验显示微动过程中接触区域有{111}四个取向的滑移线共存，并观测了滑移线的产生和积累行为。为考虑循环加载效应，将修正了背应力项的晶体塑性本构模型引入材料子程序中，对单晶微动接触进行了有限元建模分析。根据12个八面体滑移系中的最大塑性应变判断开动的滑移系，给出了接触区域主导滑移面的云图。CPFEM计算给出的滑移线预测结果与实验观测结果具有良好的一致性，从而可以借助计算对于裂纹萌生的方向给出判断。而CPFEM计算给出的等效塑性应变峰值位置与裂纹萌生位置相吻合。