变温条件下材料复合应力疲劳性能原位测试新技术的研究

In view of the test and analysis of mechanical properties under complex service conditions of key structural materials, such as high temperature alloys used for aviation engine, this project proposes in situ testing research topic of fatigue performance under combined stresses and variable temperature conditions. By using a piezoelectric drive unit with multiple degrees of freedom, a temperature loading unit, combinging with a collecting and control unit and relevant decoupling algorithm, various fatigue performance tests based on variable temperatures, such as biaxial tensile and combined tensile-bending tests could be realized. By integrating with electron microscope technique, digital image correlation method and thermal imaging technique, the micro deformation and damage, strain distribution and temperature gradient of materials could be dynamically monitored, accordingly, this project could provide a method to study the relationship between the performance evolution and temperature and combined stresses of high temperature alloys and other materials. This project focuses on serveral fundamental theories and key technologies, such as the loading and decoupling methods of fatigue loads under combined stresses mode, loading and detection methods of temperature, system integration and control and in situ monitoring, via the development of platform prototype, frontier exploration and application researches could be carried out. This project could provide novel testing method to study the damage mechanism and performance evolution of high temperature alloys and other key materials, it can also provide basis and supports for the development and service performance test and analysis of various structure materials, therefore, the project could present important scientific significance and application value on the material science, national defense and other fields.

针对航空发动机用高温合金等关键结构材料的复杂服役条件下的力学性能测试分析，项目提出变温条件下复合应力疲劳性能原位测试的研究命题。通过多自由度压电驱动单元、温度加载单元，结合检测控制单元与解耦算法，实现变温条件下双轴拉伸、拉伸-弯曲复合应力等载荷模式的材料疲劳性能测试。结合电子显微技术、数字图像相关方法与热成像技术对材料微观变形损伤、应变分布与温度梯度进行原位动态监测，为研究高温合金等材料的性能演化及其与温度、复合应力作用间的关系提供测试手段。项目着重研究复合应力疲劳载荷的加载与解耦、温度加载与检测、系统集成控制与原位监测等理论和关键技术，研制测试平台原型样机，进而开展前沿探索和应用研究。本研究可为研究高温合金等关键材料的损伤机制和性能演变规律提供新方法，同时也可为各类结构材料的研制与服役性能测试分析提供基础和支撑，在材料科学和国防军工等领域具有重要的科学意义与应用价值。

“变温条件下材料复合应力疲劳性能原位测试新技术的研究”（51505180）自2015年8月获批以来，围绕复杂热力耦合服役条件下的关键结构材料的力学失效机理，开展了变温条件下原位疲劳力学测试装备的研制，尤其是参与研制了国际上首台多载荷多物理场耦合原位测试仪。结合提出的若干针对力学参数测试准确性的理论模型与修正技术，提出了微机电系统微桥压痕载荷-深度曲线校准方法和多晶体韧性材料断裂准则， 系统开展了结构材料在压痕、划痕、高温拉伸-疲劳、拉伸-弯曲、双轴拉伸、拉伸-剪切复合应力状态下变形行为与失效机制的研究，获取了航空发动机叶片高温合金材料、镁合金、锆基非晶合金材料、复合材料和生物材料等在力热耦合疲劳载荷作用下的响应特征与微观结构演化间的相关性。项目执行期内，发表SCI收录论文21篇（其中在Compos. Struct、Appl. Surf. Sci、Philos. Mag、J. Alloy. Compd、Precis. Eng、Acta. Mech、Rev. Sci. Instrum上发表第一作者11篇，通讯作者2篇，标注17篇），成果被国际科技新闻网站Vertical News、Space Mart等专题报道，被加拿大工程院院士Y. Sun、美国科学促进会会士P. Ferreira、英国皇家工程院外籍院士S. Fatikow、美国工程院院士Kumar等学者正面引用和好评。授权第一发明人发明专利7件，申请美国专利1件，欧洲专利1件，4件专利在国机集团等企业转化实施。自主研制了17种原位力学测试仪器，制定原位力学测试仪器的机械行业标准2项，填补了国际上原位力学测试领域相关标准的空白。负责起草《大百科全书》原位力学测试相关词条。获教育部技术发明一等奖（排名第二）、吉林省技术发明一等奖（排名第二）、中国仪器仪表学会青年科技人才奖，入选中国科协青年人才托举工程、吉林大学国家优秀青年科学基金人才培育计划和吉林大学优秀青年教师培养计划。此外，作为第一作者的两篇论文均获中国有色金属科技论文奖二等奖，获吉林省自然科学学术成果三等奖（排名第一）。