镍基单晶高温合金热机疲劳过程中裂纹扩展微观机制及相关孪晶形成机理研究

本项目通过综合的材料分析测试手段，研究镍基单晶高温合金在热机疲劳过程中疲劳裂纹的形成与合金成分、微观组织结构之间的关系，阐明元素分布、微观组织结构、凝固缺陷等对于裂纹形成机制和扩展模式的影响。研究在温度场和应力场作用下镍基单晶高温合金中位错的组态、运动模式及其与孪晶形成的关系，建立位错组态和孪晶形核和长大之间关系的物理模型。研究在温度场作用下裂纹尖端的应力场特点，建立循环加载条件下疲劳破坏分析模型，揭示高温合金不同热/机载荷水平所对应的宏观和微观破坏机理。基于裂纹扩展过程中裂纹尖端诱发孪晶的热机疲劳破坏模式，分析裂纹尖端应力场与孪晶的形成和长大的交互作用，揭示在热机疲劳条件下镍基单晶高温合金中裂纹诱发孪晶的微观机制和宏观规律。

本课题运用扫描电子显微镜和透射电子显微镜主要围绕镍基单晶高温合金TMS-75和TMS-82热机疲劳试验后表面断口形貌和元素分布规律、热机疲劳过程中微观组织演化规律、裂纹尖端应力场与孪晶形核长大的交互作用等重要问题展开研究。热机疲劳试验在400C下拉伸与900C下压缩之间循环进行。当施加压应力或拉应力时合金内的铸造微孔附近的应力场可促进形变孪晶形核和长大，当孪晶扩展至试样表面造成应力集中触发形成微裂纹，沿孪晶面扩展直至断裂。裂纹和断口附近形变孪晶分布不均匀，靠近裂纹和断口区域形变孪晶数目较多。在断裂过程中试样的微观结构，包括位错、堆垛层错、孪晶，相互联系，互相影响。压缩应力松弛有利于堆垛层错和孪晶的产生；拉伸塑性变形促使位错大量产生，而压缩过程产生的堆垛层错消失；不全位错1/6<112>在平行的{111}面上连续滑移形成孪晶；孪晶形成所需要的临界拉应力约为1.34GPa，远大于压缩时所需要的临界应力，因此孪晶在压缩过程中容易形成；塑性变形后产生的大量位错阻碍全位错的运动和分解引发堆垛层错的“可逆性”；已形成的位错对孪生位错的运动起到不同程度的阻碍作用，造成孪晶边缘处形成台阶或者孪晶停止生长。通过有限元分析确定裂纹和微孔间的区域应力超过1.34GPa，因此有大量形变孪晶产生。建立了孪晶与裂纹尖端相互作用模型，计算可知只有诱发孪晶的裂纹长度超过0.05mm，裂纹尖端才有形变孪晶产生。本研究工作发表相关论文22篇。