镍基单晶合金力-温度下的力学行为与微结构演化研究

摘要

机械工程设计的创新与更臻完美对机械部件运行及其失效机理的认识更加迫切与深入细致。工程材料的服役行为的研究涉及到服役环境、材料特性，而且是机械零件寿命、可靠性、全寿命周期设计等的理论基础。以往对宏观行为研究较多，材料微结构的变化对宏观力学行为产生决定性的影响，这也是机械零件失效与机械工程中突发事故的重要因素之一，因此开展工程材料服役行为的研究具有重要的科学与应用价值。镍基单晶合金叶片是发动机最重要的部件，其启停运行阶段的热机械强度，微裂纹的影响，以及离心应力导致的蠕变损伤始终是研究的核心问题。本文运用的分子动力学方法系统研究了镍基单晶合金力-温度作用下的力学行为、裂纹扩展及蠕变特性，取得如下研究结论：
　　(1)采用分子动力学方法对镍基单晶合金的[001]、[011]和[111]晶向不同温度下力学性能和微结构演化行为进行了研究。晶体取向对镍基单晶合金力学性能影响显著，相同温度和载荷作用条件下，[111]晶向的镍基单晶合金强度最大、[001]晶向次之、[011]晶向的最低。随着温度的升高，三种晶向的强度都降低。在不同温度条件下，位错滑移是[001]晶向镍基单晶合金变形的基本方式，γ'相中面角位错是影响其强度的重要因素。[011]晶向在拉伸过程中出现明显的屈服行为与加工硬化行为。该行为在温度为1000K及以下时，拉伸过程中出现孪晶。孪晶与位错滑移共同作用形成了应力-应变曲线的锯齿状，其孪晶为文献实验观测孪晶提供了理论解释；而温度大于1000K时，位错滑移成为高温时的主要塑性变形机制。[111]晶向的镍基单晶合金主要是位错滑移，位错滑移需要较大临界分切应力，且位错缠结较多，因而强度最高。
　　(2)不同晶向下的镍基单晶合金的拉压不对性表现各异，[001]和[011]晶向下的拉伸屈服强度高于压缩屈服强度，而[111]晶向下的拉伸屈服强度低于压缩屈服强度。拉压不对称性[111]晶向下最显著，[001]晶向次之，[011]晶向最弱。[001]晶向下拉压不对称是拉伸时由于γ'相中形成面角位错，压缩γ'相中没有形成面角位错。[011]晶向拉压不对称性的原因是孪晶作用，拉伸时孪晶区域大于压缩时的。[111]晶向下拉压不对称是超位错分解，拉伸时超位错形成层错区域小于压缩时的，导致阻止交滑移能力小于压缩状态。
　　(3)三种γ/γ′相界面裂纹扩展呈现不同的扩展特征，(001)γ/γ′相界面裂纹扩展路径是V形，(011)γ/γ′相界面裂纹是沿着与界面成54.7°的斜面扩展，(111)γ/γ′相界面裂纹尖端出现钝化行为。V形裂纹的扩展路径是因为面角位错的阻碍，使得在γ′相中扩展的裂纹转向γ相。(011)γ/γ′相界面裂纹成54.7°斜面切断，是位错滑移与晶体转动的结果。(111)γ/γ′相界面裂纹受到孪晶的作用阻碍了向γ′相扩展，裂纹尖端表现为张开钝化。300K和600K时(001)γ/γ′相界面裂纹扩展路径是V形，而900K时是锯齿状。(011)γ/γ′相界面300K时裂纹裂纹尖端前沿区域出现孪晶，且孪晶区域的面积大于600K时的，孪晶决定了裂纹扩展速率；900K时没有出现孪晶。温度对(111)γ/γ′相界面裂纹裂纹尖端的钝化影响较大。(001)γ/γ′相界面裂纹不同拉伸速度下位错的滑移方向决定了裂纹的扩展路径。(011)γ/γ′相界面裂纹扩展路径主要由位错滑移决定，而扩展速度受孪晶的影响。(111)γ/γ′相界面裂纹在低拉伸速度下受到孪晶阻碍表现为裂纹钝化，在较大拉伸速度时，位错向γ相滑移，使得裂纹扩展路径避开孪晶区域而得以迅速扩展。
　　(4)[001]晶向镍基单晶合金蠕变行为是在载荷作用下γ相交汇区域形成应力集中，γ相位错不断切入γ'相使γ'相形成P型筏化，筏化主要受位错滑移的影响。[011]晶向镍基单晶合金蠕变是γ相倾斜导致γ'相逐渐偏转，使得γ相中的位错切入γ'相，出现γ'相与应力轴方向成一定度角的L型筏化。[111]晶向γ相的位错以攀移的形式越过γ'相，γ'相筏化速率很慢，γ'相没有定向粗化行为。温度对镍基单晶合金蠕变性能的影响表明：[001]晶向随着温度的升高，γ'相的筏化加速。[011]晶向温度较高时γ相位错能够直接滑移到γ'相；而温度较低时，γ'相中位错分解成层错。[111]晶向在较低温度下位错出现攀移，筏化不明显；较高温度时，受热激活的影响，位错更容易滑移到γ'相，形成位错滑移的蠕变行为；而[111]晶向在较大应力下主要是以位错攀移进行的蠕变行为。研究还表明[001]取向和[011]取向下的镍基单晶合金蠕变对温度具有敏感性，即蠕变受温度的影响较大；而[111]取向下的镍基单晶合金蠕变对应力具有敏感性，即蠕变受应力的影响较大。实验中观察到的γ'相的筏化形态与γ相和γ'相位错特征，蠕变受温度、应力的影响均与分子动力学方法得到的结果一致，这充分证明分子动力学方法的合理与正确性。

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第1章 绪论

1.1 论文的研究背景

1.2国内外研究现状

1.3 论文的研究目的和意义

1.4 论文的课题支撑与主要研究内容

第2章 力-温度下镍基单晶合金力学行为及结构演化研究

2.1 镍基单晶合金模型建立和算法

2.2 温度与晶向对镍基单晶合金力学特性影响研究

2.3 镍基单晶合金的微观结构演化

2.4 温度和晶向对临界分切应力的影响

2.5 本章小结

第 3 章 镍基单晶合金拉压不对称行为及微结构演化研究

3.1 模型建立与计算过程

3.2 拉压载荷作用下镍基单晶合金的力学行为

3.3 拉压载荷下微结构演化研究

3.4 本章小结

第4章 力-温度下镍基单晶合金裂纹形成与扩展研究

4.1 裂纹扩展分子动力学模型建立及方法

4.2 含裂纹γ/γ′相界面力学性能及裂纹形成与扩展影响

4.3 温度对力学性能和裂纹形成与扩展影响

4.4 拉伸速度对力学性能和裂纹形成与扩展影响

4.5 本章小结

第 5 章 镍基单晶合金蠕变特性分子动力学及实验研究

5.1 蠕变模型及模拟方法

5.2 镍基单晶合金蠕变的分子动力学研究

5.3 镍基单晶合金蠕变性能实验研究

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间参加的科研项目

攻读博士学位期间获得的奖励

攻读博士学位期间发表的论文