循环载荷下单晶高温合金变形和裂纹形核扩展的位错机理研究

Since the constraint effect on dislocation evolution by its special two-phases microstructure, the Nickel-base superalloy has excellent fatigue resistance. This project aims to perform the reseach on the cyclic plasticity and fatigue damage evolution of this material by macro/micro experiments and multi-scale simulation, with the emphasis focused on the influence of material microstructure, dislocation pattern and their mutual interaction. First, in the macro/micro experiments, materials with three different precipitate size will be prepared. Then these materials will be machined into three different kinds of specimens which are the smooth round-bar specimen,the notched specimen and the cracked one. In the experiments, the overall cyclic response, the crack initiation and propogation will be observed, as well as the the dislocation distribution. Second, the MD simulation will be performed, from which the constitutive law for dislocaton motion and dislocation-material microstructure interaction will be suggested. Basing on this, the atom-informed three dimensional discrete dislocation dynamics program will be developed. Using this programe, the mechanism and process of the dislocation structures(pattern, such as persistent slip band) formation under different load and temperature range will be discussed; the relation between the dislocation pattern and material microstructure (such as the precipitate size and morphology)will be investigated; the influence of the dislocation structure evolution on the cyclic stress-strain response, fracture initiation and propogation will be probed; and the precipitate size/morphology effect on fracture initiation and propogate will also be studied carfully. All these works tend to provide the scientific support for the development of new kind superalloy and its safety assessment.

单晶镍基超合金具有独特的两相微结构，其优良的高温抗疲劳性能源于增强相与位错演化的交互作用。本项目拟通过宏细观实测和多尺度计算相结合的研究方法，以"材料微结构"-"位错微结构"以及其相互关联为切入点，对该材料循环载荷下的变形和裂纹形核扩展进行研究。首先，在宏细观实验上，对三种沉淀相大小的光滑、切口和裂纹试样进行低周疲劳测试，在关注宏观循环响应、疲劳裂纹开裂和扩展的同时，观察位错微结构演化及其与材料微结构的相互作用。然后，开展分子动力学模拟，提炼位错运动和位错-微结构相互作用的本构法则，在此基础上发展具有原子信息的离散位错动力学模拟程序，用于探索高温环境中不同加载幅下循环位错微结构（花样）的形成过程和机理，揭示材料微结构与位错微结构形成的内在联系，获得位错微结构演化与循环塑性行为和裂纹形核扩展内在关联，探讨材料微结构尺寸和形状效应对疲劳裂纹形核和扩展的影响，为该材料的安全设计提供理论支持。

镍基超合金广泛地应用于航空发动机和燃气轮机的热端部件当中，其循环塑性和断裂行为的深入研究有助于该材料的安全评定和进一步的微结构优化。本课题成功开发了二套研究镍基高温合金循环塑性和损伤断裂行为的程序（二维/三维离散位错动力学—有限元多尺度耦合程序和离散位错动力学—扩展有限元多尺度耦合程序），建立了一套以位错密度为内变量、能够考虑位错—微结构相互作用的镍基高温合金连续介质力学本构关系，在此基础上分析了 “材料微结构（包括缺陷微结构） ”-“位错微结构”-“材料循环变形与损伤/裂纹内在机理”三者之间的相互关联。此外，本课题还对镍基高温合金进行了FIB切割、微柱压缩测试以及SEM电镜观察，观察了位错微结构演化与变形模式和力学响应的对应关系；建立了位错分解、位错攀移、位错-两相界面交互作用、裂尖位错发射等位错基本行为的本构模型，发展了考虑裂尖位错发射的内聚力模型，并将其嵌入了离散位错动力学程序当中，研究了裂纹的起裂和扩展；使用有限元—三维离散位错动力学耦合程序，模拟了镍基高温合金循环载荷下位错微结构的演化，探讨了位错微结构与裂尖变形场的内在联系；开展了裂纹扩展的离散位错动力学模拟程序，揭示了裂尖位错发射和裂尖位错微结构对循环载荷下裂纹扩展的影响，深化了对镍基高温合金裂纹变形场和循环塑性行为内在位错机理的认识。本课题关于镍基高温合金变形微观位错机理和晶体塑性本构模型的研究为该材料的优化设计和安全评估提供了一定的理论支持。相关论文发表在固体力学权威旗舰期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solid》（2篇）和固体力学影响因子最高期刊《International Journal of plasticity》（2篇）等SCI学术杂志上，共9篇。目前，这些文章被SCI他引35次。依托本项目，共培养博士研究生4名（2名已毕业），培养硕士研究生3名（2名已毕业）。