镍基单晶高温合金塑性变形行为及其微观机理研究

摘要

由于具有独特的两相微结构，镍基单晶高温合金在高温下显示出优异的力学性能，因而被广泛应用于航空航天、燃气轮机发电等要求材料在高温下具有高强度及良好抗蠕变性能的重要领域。研究镍基高温合金的力学行为及其细观机理，建立其宏观变形行为与细观变形机制之间的跨尺度关联，是建立基于细观物理机制塑性本构理论的重要基础，因此具有重要的理论意义和潜在的工程应用价值。
　　为了在细观尺度上揭示镍基单晶高温合金塑性行为的内在物理机制，针对其独特的两相微结构和复杂的位错动力学机制，本文扩展了已有的三维离散位错动力学（3D-DDD）基本框架，并发展了相应的算法和计算程序。通过计算模拟并同已有实验结果的对比，验证了本文模型和算法的合理性，并深入研究了镍基单晶高温合金塑性及蠕变行为背后复杂的三维离散位错动力学机制。本文的主要创新性研究工作有：
　　（1）考虑到镍基单晶高温合金中基体相（γ相）中位错进入并切割沉淀相（γ'相）时有“反相畴界（APB）分解”及“超晶内禀堆垛层错（SISF）分解”两种方式，并且高温下前者占优而低温下后者占优，为了模拟更宽温度范围内镍基单晶高温合金中基体相（γ相）位错进入并切割沉淀相（γ'相）的过程及其物理机制，本文基于一个描述 APB分解机制向 SISF分解机制转化的能量准则，发展了相应的三维离散位错动力学（3D-DDD）算法。计算模拟结果表明，本文扩展提出的3D-DDD模型及其算法不仅能够成功地模拟镍基单晶高温合金中基体相位错切割沉淀相时在一定条件下由 APB分解机制向 SISF分解机制的转化，而且能更合理地预测镍基单晶高温合金在不同温度（如293K和873K）下的应力-应变响应。
　　（2）由于独特的两相微结构，镍基单晶高温合金表现出一系列反常的力学行为，例如，其屈服强度在低中温区随温度的升高不降反升以及拉-压强度不对称等。为了模拟镍基高温合金的一系列反常力学性能，基于描述沉淀相中螺型位错交滑移的概率模型、Kear-Wilsdolf（K-W）锁模型、K-W锁解锁与立方滑移系开动相互竞争模型，本文发展了相应的三维离散位错动力学模型及其算法。一系列的计算模拟表明：本文模型及算法不仅能合理地模拟镍基单晶高温合金“屈服强度随温度升高反常上升”以及“拉-压不对称”等反常行为，还能模拟在高温区其屈服强度“随温度升高正常降低”行为。此外，通过对镍基单晶高温合金循环塑性变形行为的计算模拟，结果表明：γ'沉淀相中的K-W锁机制与镍基高温合金的包辛格效应及循环软化行为有着紧密联系。
　　（3）除基体位错切割γ'沉淀相外，基体位错沿γ基体/γ'沉淀相界面的攀移也是镍基单晶高温合金容纳塑性和蠕变变形的重要机制。为了揭示镍基单晶高温合金在高温下的初期蠕变及塑性行为的位错动力学机制，基于空位扩散理论的位错攀移模型，本文扩展了现有三维离散位错动力学方法，发展了能够同时模拟位错攀移和滑移的三维离散位错动力学耦合模型和算法。在此基础上，详细研究了：①位错攀移速度影响因素（如温度、外加应力和空位过饱和浓度）和高温合金的两相微结构尺寸（如沉淀相大小、基体相宽度）等对镍基单晶高温合金初期蠕变行为的影响；②位错攀移对镍基单晶高温合金应变率效应以及拉-压强度不对称性的影响；③由位错攀移引起的两种典型位错构型(如环绕立方沉淀相顶点的三角形位错环的收缩、{001}相界面上的位错连接（junction）等)及其动态演化。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 基于微结构的高温合金变形行为研究概述

1.3 离散位错动力学方法

1.4 研究内容

2 镍基单晶高温合金SISF沉淀相剪切机制研究

2.1引言

2.2 SISF分解机制及其在3D-DDD中的实现

2.3 计算结果与讨论

2.4 本章小结

3 镍基单晶高温合金反常力学性能的3D-DDD模拟

3.1 引言

3.2 K-W锁相关本构法则及其在3D-DDD中的实现

3.3 计算结果与讨论

3.4 本章小结

4 基于空位扩散的位错攀移对镍基单晶高温合金变形行为的影响

4.1 引言

4.2 位错攀移模型及其在3D-DDD中的实现

4.3 计算结果与讨论

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目