面心立方金属高温疲劳蠕变损伤与晶界结构的相关性研究

本课题目的是研究面心立方金属材料疲劳蠕变损伤机制与晶界结构的内在关联，揭示其规律性并发现新现象。研究内容包括选取典型的面心立方金属进行疲劳蠕变交互作用试验；利用透射电镜（TEM）观察疲劳蠕变交互作用不同阶段位错组态演化以及形变亚结构与不同类型晶界的相互作用。使用电镜原位观察方法和聚焦离子束（FIB）取样技术研究疲劳蠕变交互作用的早期损伤，揭示晶界结构与金属高温形变亚结构和疲劳蠕变损伤的关联性，从微观机理上理解晶界结构对疲劳蠕变性能的影响规律。使用带有取向分析系统（OIM）的扫描电镜（SEM），研究晶界结构对疲劳蠕变裂纹萌生和扩展路径的影响，结合疲劳蠕变断口分析及晶间碳化物形貌观察，揭示不同类型晶界在疲劳蠕变损伤机制上的差异，提出与晶界结构相关的疲劳蠕变晶间断裂损伤机制，建立包含晶界特征参量的的疲劳蠕变寿命预测模型。

“晶界工程”(GBE)是指能够提高材料内部特殊晶界(如CSL晶界等)比例的形变热处理方法，目前已被广泛地应用于各种面心立方金属材料以提升其与晶界相关的各种性能。合理地重复变形和退火过程可以使316系列奥氏体不锈钢ΣCSL晶界比例达到70%以上，高温合金GH4169低ΣCSL晶界比例由原来的不足20%提高至40%左右，另外发现形变热处理同样可以改变X80及X120管线钢的晶界比例。.对不同晶界特征分布的316L奥氏体不锈钢和GH4169高温合金试样进行疲劳蠕变实验，利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等分析手段，对不同类型晶界附近的位错形态及与晶界的相互作用、滑移带在不同类型晶界两侧的连续性及其取向的变化规律、裂纹萌生和扩展路径上的晶界类型等进行一系列对比分析，结果表明Σ3型孪晶界对两侧滑移系的应变相容性较好，Σ7、Σ11、Σ13、Σ21和Σ27型晶界次之，而随机晶界对两侧滑移系的应变相容性较差，因此裂纹易于在随机晶界产生。对于高温合金GH4169而言，由于’、”等强化相以及碳化物等析出相的影响，滑移带难以穿过大多数类型的晶界，但是Σ3型孪晶界对两侧滑移系依然具有较好的应变相容性。.晶界特征分布对奥氏体不锈钢连续低周疲劳寿命影响并不显著，但是提高低ΣCSL晶界比例至70%以上后，其疲劳蠕变寿命延长至原来的1.8倍以上。经过不同形变热处理后GH4169疲劳-蠕变寿命可相差两倍以上，但寿命和低ΣCSL晶界比例之间的关系规律性不够清晰，表明低ΣCSL晶界比例并不是影响疲劳寿命的唯一因素。.在疲劳蠕变交互作用过程中，微裂纹通常优先沿随机晶界萌生，裂纹扩展也以随机晶界为主要路径。Σ1、Σ3和Σ9晶界能有效干扰或阻止裂纹的沿晶扩展，而Σ7、Σ11、Σ13、Σ21和Σ27晶界对裂纹扩展的阻碍作用相对较弱，因此低ΣCSL晶界比例较高的试样疲劳蠕变抗力通常高于比例较低的试样，合理改善晶界特征分布可以明显提高疲劳蠕变损伤抗力。