鎳基單晶合金力-溫度下的力學(xué)行為與微結(jié)構(gòu)演化研究.pdf

1、機(jī)械工程設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與更臻完美對機(jī)械部件運(yùn)行及其失效機(jī)理的認(rèn)識更加迫切與深入細(xì)致。工程材料的服役行為的研究涉及到服役環(huán)境、材料特性，而且是機(jī)械零件壽命、可靠性、全壽命周期設(shè)計(jì)等的理論基礎(chǔ)。以往對宏觀行為研究較多，材料微結(jié)構(gòu)的變化對宏觀力學(xué)行為產(chǎn)生決定性的影響，這也是機(jī)械零件失效與機(jī)械工程中突發(fā)事故的重要因素之一，因此開展工程材料服役行為的研究具有重要的科學(xué)與應(yīng)用價(jià)值。鎳基單晶合金葉片是發(fā)動機(jī)最重要的部件，其啟停運(yùn)行階段的熱機(jī)械強(qiáng)度，微裂紋

2、的影響，以及離心應(yīng)力導(dǎo)致的蠕變損傷始終是研究的核心問題。本文運(yùn)用的分子動力學(xué)方法系統(tǒng)研究了鎳基單晶合金力-溫度作用下的力學(xué)行為、裂紋擴(kuò)展及蠕變特性，取得如下研究結(jié)論：
　　(1)采用分子動力學(xué)方法對鎳基單晶合金的[001]、[011]和[111]晶向不同溫度下力學(xué)性能和微結(jié)構(gòu)演化行為進(jìn)行了研究。晶體取向?qū)︽嚮鶈尉Ш辖鹆W(xué)性能影響顯著，相同溫度和載荷作用條件下，[111]晶向的鎳基單晶合金強(qiáng)度最大、[001]晶向次之、[011]晶向

3、的最低。隨著溫度的升高，三種晶向的強(qiáng)度都降低。在不同溫度條件下，位錯滑移是[001]晶向鎳基單晶合金變形的基本方式，γ'相中面角位錯是影響其強(qiáng)度的重要因素。[011]晶向在拉伸過程中出現(xiàn)明顯的屈服行為與加工硬化行為。該行為在溫度為1000K及以下時(shí)，拉伸過程中出現(xiàn)孿晶。孿晶與位錯滑移共同作用形成了應(yīng)力-應(yīng)變曲線的鋸齒狀，其孿晶為文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)觀測孿晶提供了理論解釋；而溫度大于1000K時(shí)，位錯滑移成為高溫時(shí)的主要塑性變形機(jī)制。[111]晶向的

4、鎳基單晶合金主要是位錯滑移，位錯滑移需要較大臨界分切應(yīng)力，且位錯纏結(jié)較多，因而強(qiáng)度最高。
　　(2)不同晶向下的鎳基單晶合金的拉壓不對性表現(xiàn)各異，[001]和[011]晶向下的拉伸屈服強(qiáng)度高于壓縮屈服強(qiáng)度，而[111]晶向下的拉伸屈服強(qiáng)度低于壓縮屈服強(qiáng)度。拉壓不對稱性[111]晶向下最顯著，[001]晶向次之，[011]晶向最弱。[001]晶向下拉壓不對稱是拉伸時(shí)由于γ'相中形成面角位錯，壓縮γ'相中沒有形成面角位錯。[011]晶

5、向拉壓不對稱性的原因是孿晶作用，拉伸時(shí)孿晶區(qū)域大于壓縮時(shí)的。[111]晶向下拉壓不對稱是超位錯分解，拉伸時(shí)超位錯形成層錯區(qū)域小于壓縮時(shí)的，導(dǎo)致阻止交滑移能力小于壓縮狀態(tài)。
　　(3)三種γ/γ′相界面裂紋擴(kuò)展呈現(xiàn)不同的擴(kuò)展特征，(001)γ/γ′相界面裂紋擴(kuò)展路徑是V形，(011)γ/γ′相界面裂紋是沿著與界面成54.7°的斜面擴(kuò)展，(111)γ/γ′相界面裂紋尖端出現(xiàn)鈍化行為。V形裂紋的擴(kuò)展路徑是因?yàn)槊娼俏诲e的阻礙，使得在γ′相

6、中擴(kuò)展的裂紋轉(zhuǎn)向γ相。(011)γ/γ′相界面裂紋成54.7°斜面切斷，是位錯滑移與晶體轉(zhuǎn)動的結(jié)果。(111)γ/γ′相界面裂紋受到孿晶的作用阻礙了向γ′相擴(kuò)展，裂紋尖端表現(xiàn)為張開鈍化。300K和600K時(shí)(001)γ/γ′相界面裂紋擴(kuò)展路徑是V形，而900K時(shí)是鋸齒狀。(011)γ/γ′相界面300K時(shí)裂紋裂紋尖端前沿區(qū)域出現(xiàn)孿晶，且孿晶區(qū)域的面積大于600K時(shí)的，孿晶決定了裂紋擴(kuò)展速率；900K時(shí)沒有出現(xiàn)孿晶。溫度對(111)γ/γ

7、′相界面裂紋裂紋尖端的鈍化影響較大。(001)γ/γ′相界面裂紋不同拉伸速度下位錯的滑移方向決定了裂紋的擴(kuò)展路徑。(011)γ/γ′相界面裂紋擴(kuò)展路徑主要由位錯滑移決定，而擴(kuò)展速度受孿晶的影響。(111)γ/γ′相界面裂紋在低拉伸速度下受到孿晶阻礙表現(xiàn)為裂紋鈍化，在較大拉伸速度時(shí)，位錯向γ相滑移，使得裂紋擴(kuò)展路徑避開孿晶區(qū)域而得以迅速擴(kuò)展。
　　(4)[001]晶向鎳基單晶合金蠕變行為是在載荷作用下γ相交匯區(qū)域形成應(yīng)力集中，γ相位

8、錯不斷切入γ'相使γ'相形成P型筏化，筏化主要受位錯滑移的影響。[011]晶向鎳基單晶合金蠕變是γ相傾斜導(dǎo)致γ'相逐漸偏轉(zhuǎn)，使得γ相中的位錯切入γ'相，出現(xiàn)γ'相與應(yīng)力軸方向成一定度角的L型筏化。[111]晶向γ相的位錯以攀移的形式越過γ'相，γ'相筏化速率很慢，γ'相沒有定向粗化行為。溫度對鎳基單晶合金蠕變性能的影響表明：[001]晶向隨著溫度的升高，γ'相的筏化加速。[011]晶向溫度較高時(shí)γ相位錯能夠直接滑移到γ'相；而溫度較低時(shí)

9、，γ'相中位錯分解成層錯。[111]晶向在較低溫度下位錯出現(xiàn)攀移，筏化不明顯；較高溫度時(shí)，受熱激活的影響，位錯更容易滑移到γ'相，形成位錯滑移的蠕變行為；而[111]晶向在較大應(yīng)力下主要是以位錯攀移進(jìn)行的蠕變行為。研究還表明[001]取向和[011]取向下的鎳基單晶合金蠕變對溫度具有敏感性，即蠕變受溫度的影響較大；而[111]取向下的鎳基單晶合金蠕變對應(yīng)力具有敏感性，即蠕變受應(yīng)力的影響較大。實(shí)驗(yàn)中觀察到的γ'相的筏化形態(tài)與γ相和γ'相位