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

1、機械工程設計的創(chuàng)新與更臻完美對機械部件運行及其失效機理的認識更加迫切與深入細致。工程材料的服役行為的研究涉及到服役環(huán)境、材料特性，而且是機械零件壽命、可靠性、全壽命周期設計等的理論基礎。以往對宏觀行為研究較多，材料微結(jié)構(gòu)的變化對宏觀力學行為產(chǎn)生決定性的影響，這也是機械零件失效與機械工程中突發(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與應用價值。鎳基單晶合金葉片是發(fā)動機最重要的部件，其啟停運行階段的熱機械強度，微裂紋

2、的影響，以及離心應力導致的蠕變損傷始終是研究的核心問題。本文運用的分子動力學方法系統(tǒng)研究了鎳基單晶合金力-溫度作用下的力學行為、裂紋擴展及蠕變特性，取得如下研究結(jié)論：
　　(1)采用分子動力學方法對鎳基單晶合金的[001]、[011]和[111]晶向不同溫度下力學性能和微結(jié)構(gòu)演化行為進行了研究。晶體取向?qū)︽嚮鶈尉Ш辖鹆W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，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力-應變曲線的鋸齒狀，其孿晶為文獻實驗觀測孿晶提供了理論解釋；而溫度大于1000K時，位錯滑移成為高溫時的主要塑性變形機制。[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力，且位錯纏結(jié)較多，因而強度最高。
　　(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度高于壓縮屈服強度，而[111]晶向下的拉伸屈服強度低于壓縮屈服強度。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，拉伸時孿晶區(qū)域大于壓縮時的。[111]晶向下拉壓不對稱是超位錯分解，拉伸時超位錯形成層錯區(qū)域小于壓縮時的，導致阻止交滑移能力小于壓縮狀態(tài)。
　　(3)三種γ/γ′相界面裂紋擴展呈現(xiàn)不同的擴展特征，(001)γ/γ′相界面裂紋擴展路徑是V形，(011)γ/γ′相界面裂紋是沿著與界面成54.7°的斜面擴展，(111)γ/γ′相界面裂紋尖端出現(xiàn)鈍化行為。V形裂紋的擴展路徑是因為面角位錯的阻礙，使得在γ′相

6、中擴展的裂紋轉(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′相擴展，裂紋尖端表現(xiàn)為張開鈍化。300K和600K時(001)γ/γ′相界面裂紋擴展路徑是V形，而900K時是鋸齒狀。(011)γ/γ′相界面300K時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時的，孿晶決定了裂紋擴展速率；900K時沒有出現(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展路徑。(011)γ/γ′相界面裂紋擴展路徑主要由位錯滑移決定，而擴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，位錯向γ相滑移，使得裂紋擴展路徑避開孿晶區(qū)域而得以迅速擴展。
　　(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γ相位錯能夠直接滑移到γ'相；而溫度較低時

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，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]晶向在較大應力下主要是以位錯攀移進行的蠕變行為。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力具有敏感性，即蠕變受應力的影響較大。實驗中觀察到的γ'相的筏化形態(tài)與γ相和γ'相位