基于界面位错网演化的镍基单晶合金蠕变损伤与本构模型研究

镍基单晶高温合金是一种广泛应用于航空发动机涡轮叶片的两相单晶材料，叶片在工作时主要承受离心力引起的蠕变损伤。基体相和沉淀相界面位错网的存在，有效提高了合金的蠕变抗力。本项目将从微观的界面位错网演化出发，采用从微观到宏观的多尺度分析方法对镍基单晶高温合金的蠕变损伤行为及寿命进行研究。主要内容包括：（1）分子动力学模拟不同取向、载荷和温度条件下界面位错网演化过程，探讨不同条件下位错网演化的微观机制和物理本质；（2）将分子动力学模拟和晶体塑性理论结合，建立耦合界面位错网演化的蠕变损伤本构模型；（3）在上述研究的基础上，采用有限元方法分析合金的宏观蠕变行为及寿命，探讨位错网演化对蠕变性能及寿命的影响。本项目的研究重点在于发展一种考虑界面位错网演化的蠕变损伤及寿命预测模型。在此基础上，探明合金蠕变失效的微观本质及位错网演化对合金蠕变力学性能的重要影响，为合金的损伤容限设计提供理论依据。

镍基单晶高温合金是一种广泛应用于航空发动机涡轮叶片的两相单晶材料，叶片在工作时主要承受离心力引起的蠕变损伤。基体相和沉淀相界面位错网的存在，有效提高了合金的蠕变抗力。本项目从微观的界面位错网演化出发，采用从微观到宏观的多尺度分析方法对镍基单晶高温合金的蠕变力学性能进行了研究。主要研究内容和结论如下：（1）建立了镍基单晶高温合金界面位错网损伤演化的原子模型，采用分子动力学方法模拟了不同相界面在不同取向和载荷方式下界面位错网的损伤演化。结果表明：不同取向界面位错网在载荷作用下的损伤过程和损伤机制不同，其合金力学性能和失效机制也不同。（100）取向的正边形位错网主要是拉伸破坏，（110）取向的矩形位错网主要是弯曲破坏，而（111）取向生成的三角形位错网这主要是由于扭转而破坏。（2）研究了不同取向、温度和载荷条件下，界面位错网损伤演化同界面区原子应力场之间的变化。探讨了界面微结构演化和界面应力场变化之间的内在联系。结果表明：界面微结构演化区，原子应力场发生突变，微结构演化一般对应原子的高应力区。并结合晶体滑移理论，计算了不同取向界面位错网形成和损伤破坏时的临界应力。（3）发展了耦合界面位错网演化的蠕变损伤本构模型，探讨了不同相界面位错网损伤演化对合金蠕变力学性能的影响，结果表明：位错网的存在有效增强了合金的蠕变力学性能，不同相界面位错网对合金的蠕变抗力性能不同，（100）相界面的正方向位错网蠕变抗力性能最好，（110）界面矩形位错网次之，（111）界面三角形位错网蠕变抗力性能相对较弱。本项目在分子动力学模拟界面位错网损伤演化的基础上，结合晶体塑性理论，重点发展了一种考虑界面位错网损伤演化的蠕变本构模型，探明了合金蠕变损伤失效的微观本质及位错网演化对合金蠕变力学性能的重要影响，为合金的损伤容限设计提供了必要的理论依据。