基于同步辐射X射线断层扫描技术的铝合金疲劳小裂纹与晶界三维尺度交互作用的研究

金属材料晶界两侧晶粒不同的晶体学取向会引起疲劳小裂纹的偏折，导致裂纹扩展的减速，了解影响裂纹穿越晶界难易程度的主要因素需要对裂纹面、晶界面和晶粒的晶体学取向进行三维几何分析，同步辐射X射线断层扫描方法(SR-CT)对金属材料内部的三维微观观察已引起国内外学者的关注。本项目拟在现研究工作基础上，选择工业铸造铝合金6063为研究对象，制备两种不同晶粒尺寸及三种不同时效状态材料，运用SR-CT对上述合金不同疲劳裂纹扩展阶段三维微观结构进行原位观察;运用电子背散射衍射(EBSD)技术对沿裂纹路径各晶粒晶体学取向进行测定，研究不同时效状态和晶粒尺寸材料晶体学扩展与局部裂纹扩展速率间关系，研究裂纹分叉的形成过程并阐明其形成机制。根据裂纹面、晶界面与滑移系的几何关系构建物理模型，揭示影响裂纹穿越晶界难易程度的主要晶体学因素，加深对晶界与疲劳小裂纹交互作用机制的认识。

以铝合金6063和2024为研究对象，通过熔炼、均匀化、轧制及固溶淬火处理获得均匀固溶态组织，通过实验获得时效硬化行为并据此制备欠时效、峰时效和过时效样品。通过渗液态镓能够观察到6063晶粒包括等轴状和沿轧制方向拉长。2024欠时效合金具有明显的锯齿状疲劳裂纹扩展行为，表现为接近沿最大剪应力扩展，且在转变扩展方向处产生非扩展裂纹。过时效合金疲劳裂纹扩展路径的锯齿状扩展行为明显减少，在某些区域明显的偏折通常发生在晶界处。基于CT像不同像素灰度值的分布范围划分法可区分铝基体、疲劳裂纹、孔洞及第二相粒子，以及疲劳裂纹与孔洞及第二相的交互作用。基于渗液态镓试样的晶界位向可观察到晶界对疲劳裂纹扩展存在明显的阻滞作用。. 通过轧制与完全退火处理获得工业纯铝退火试样，通过原位拉伸及同步的X射线断层扫描能够获得其单向变形过程中夹杂物第二相的损伤及其对断裂过程的影响。通过原位不同拉伸位移观察到颈缩至断裂间不同位移量的形变与损伤。研究发现在原位拉伸过程中的微观机制表现为孔洞的不断萌生、长大及新孔洞的不断萌生。随变形量的增大在更多的纵向截面萌生孔洞而且在截面内孔洞的数量随变形量的增大而增加。沿拉伸轴方向分布的孔洞比其它方向更易于相互连接并沿拉伸轴方向长大。剪切裂纹通常在较大拉伸变形下出现并在颈缩区域的表面或近表面萌生。一些近表面萌生的剪切裂纹是由一些接近试样表面的孔洞聚合连接而并向周围扩展。.分析了不同变形量和不同轧制方向条件下制备的纯铝试样的力学性能的差异，同时对轧制后纯铝试样进行了退火研究，分析了变形量、退火温度和退火时间对材料力学性能的影响，观察和分析了超细晶纯铝退火强化现象。研究结果表明，随着轧制变形量的减小，强化程度逐渐减小。相同的变形量而不同轧制方向下制备出的3mm双向轧制试样与3mm轧制试样力学性能存在差异，后者的强度更高。当退火时间一定时，随着温度的升高，试样的强度和硬度发生明显下降。