调和组织结构不锈钢的疲劳性能及失效机制研究

A peculiar microstructure design concept called “harmonic structure” has been proposed, wherein the areas of coarse-grained structure are enclosed in a three-dimensional continuously connected network of ultrafine-grained structure. The macroscopic network structure of ultrafine grains promotes uniform distribution of strain during plastic deformation and results in improved strength and ductility. In the present work, mechanical milling and powder metallurgy will be used to control the network topology of harmonic structured stainless steel. The cyclic stability, fatigue properties and failure mechanism will be studied under stress-controlled fatigue tests. The effects of structure characteristics, i.e. grain size, volume fraction and structure topology, on cyclic deformation and fatigue life will be investigated. The influence of network structure topology on fatigue limit will be clarified. Moreover, based on the results of microstructure evolution, crack initiation and propagation, the cyclic stability and fatigue failure mechanism of network structure topology can be revealed. This work may provide experimental and theoretical guide for designing and operating engineering structural materials having high strength, high ductility and good fatigue resistance by the control of microstructure topology.

“调和组织结构”是由粗晶和具有空间网状拓扑结构的超细晶组成的双模态结构。超细晶的空间网状拓扑结构已被证明对改善强度和韧性有着重要作用。研究这种结构材料的疲劳失效机制，对于高强、高韧和耐疲劳损伤金属材料的设计和使用具有重要意义。本项目拟利用机械球磨和粉末烧结技术，精确调控晶粒尺度、体积分数和空间网状拓扑结构，制备“调和组织结构”不锈钢。并通过应力控制的疲劳试验系统研究其在不同载荷条件下的循环变形、疲劳寿命、微观结构演变以及裂纹萌生扩展规律。澄清“调和组织结构”中微观结构特征（晶粒尺度、体积分数和空间网状拓扑结构）对循环应力应变相应和疲劳寿命的影响，揭示超细晶的空间网状拓扑结构的循环稳定性和疲劳损伤机制。通过控制晶粒尺度、体积分数和空间网状拓扑结构来优化综合力学性能，为高强、高韧和耐疲劳的工程材料设计及安全使用提供实验依据和理论指导。

本项目探究“调和组织结构”不锈钢的超细晶的空间网状结构特征对循环变形力学行为、疲劳寿命及疲劳失效机制的影响。不同晶粒结构的“调和组织结构”316L不锈钢通过机械球磨及随后的粉末烧结和机械加工热处理方法制备。结果表明，超细晶的空间网状结构可以提供附加的加工硬化，从而实现材料的高强高韧。通过应力控制的疲劳试验表明，调和组织机构316L不锈钢的疲劳极限明显增加。调和组织结构316L不锈钢具有良好的循环稳定性。调和组织316L不锈钢的疲劳裂纹扩展试验在应力比0.1至0.5之间开展。结果表明，应力比对调和组织结构316L不锈钢的疲劳裂纹扩展速率影响较小，并且随着晶粒尺寸的降低，疲劳裂纹扩展速率没有明显增加。调和组织结构中粗晶可以阻碍疲劳裂纹的扩展，产生裂纹的偏折和二次裂纹，这些可以减缓疲劳裂纹扩展速率。调和组织结构中的连续的网状超细晶可以提高材料的强度从而提高了材料的疲劳裂纹萌生阻力。同时，粗晶可以抑制疲劳裂纹扩展。因此调和组织结构设计可以有效实现金属结构材料的高强高韧和耐疲劳。为了解决局部应变测量的难题，本项目使用纯有机的力致发光材料检测局部应力应变响应和疲劳裂纹扩展。本方法可以实现全场、实时和可视化的机械部件健康监测。本项目的研究成果为高强、高韧和耐疲劳损伤的非均匀结构材料的设计及在工程上的安全使用提供实验依据和理论指导。