γ钛铝合金高温低周疲劳和断裂机理研究

针对γ钛铝合金在500-800℃中的低周疲劳问题, 本项目基于分子动力学中嵌入原子势(EMA)模型和热动力学理论，拟建立γ钛铝合金的晶体结构模型,模拟其在高温低周疲劳下由于变形或相变引起的位错滑移、微裂纹的成核和演化过程，研究钛铝合金在高温低周疲劳条件下产生疲劳裂纹的机理和断裂的规律,重点分析引起钛铝合金高温脆断的具体原因。在高温和不同的细观结构下,拟通过模拟γ钛铝合金短裂纹群体演化全过程,探讨表面裂纹和内部裂纹对钛铝合金高温低周疲劳寿命的不同影响。通过高温低周疲劳实验，建立此条件下钛铝合金的裂纹扩展与循环应力应变行为之间的关系，用SEM分析其断面形貌特征，找出其裂纹扩展的形式，与模拟结果对比分析，揭示钛铝合金高温低周疲劳和断裂的规律，从理论和实验上为其提供依据。.本项目属于应用基础研究，是新材料和新工艺的研究前沿，对飞机发动机和汽车等行业重要零部件的研发具有推动作用。

针对γ-TiAl合金在500-800℃中的低周疲劳问题，本项目分别在理论分析、模拟和实验三方面进行了研究。首先，在理论方面探索了γ-TiAl合金疲劳微裂纹的形核机理：通过建立几何和力学模型，理论分析并推导出了表示位错间相互作用力的公式，阐述了γ-TiAl合金疲劳微裂纹的形核机理；分析了晶体滑移及晶界滑移与材料疲劳断裂之间的关系，建立了彼此之间相互作用的力学关系，阐述了高温下钛铝合金断裂机理；通过分析γ-TiAl合金晶体中间隙原子的扩散现象，推导出了间隙原子沿低晶面指数方向扩散的概率及扩散系数的计算公式，分别计算出Ti原子和Al原子沿<100>和<110>的扩散系数，阐述了γ-TiAl合金疲劳微裂纹的形核机理。然后，在模拟方面，基于分子动力学中嵌入原子势(EMA)模型和热动力学理论，确定了模拟环境，创建了γ-TiAl合金的晶体结构模型，同时采用分子动力学对γ-TiAl合金空洞的生长和断裂，以及钛-铝扩散焊过程进行了模拟。最后通过高温低周疲劳实验，用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对断面形貌特征和内部组织形态和结构进行了金相研究；给出了温度、显微组织结构、应力比对γ-TiAl合金裂纹扩展速率的不同影响规律，发现温度对γ-TiAl合金疲劳裂纹扩展速率的影响最小，其次是应力比和显微组织结构。这些研究探讨了γ-TiAl合金高温低周疲劳及断裂机理，揭示了γ-TiAl合金微观裂纹成核、扩展过程，对于γ-TiAl合金工程应用具有一定的指导意义。本项目公开发表相关学术论文9篇，均为国际学术刊物论文，其中SCI检索4篇，EI检索5篇；培养研究生8名。