论文摘要：粉末冶金高温合金的亚临界疲劳裂纹扩展行为研究

随着现代航空航天技术的发展，对高温环境下服役的承力结构的性能要求不断提高。如航空发动机，在应力水平和工作温度不断提高的同时，要求其具有较轻的结构重量、越来越长的服役寿命和高的安全可靠性。为此，各种新型的高性能合金材料得到广泛研发和应用，复杂环境下结构的疲劳、损伤容限设计方法也不断发展。在这过程中涉及到的材料学与力学学科交叉的问题也越来越突出。作为损伤容限设计与分析的基础，对材料裂纹扩展性能的准确描述成为保证高温结构安全性的重要依据。论文针对航空发动机涡轮盘用粉末高温合金，进行了不同温度和保载时间下的裂纹扩展试验研究。结合材料的微观特征尺寸、失效断口的微观形貌等深入探讨了温度和载荷对材料裂纹扩展行为的影响机理，并在此基础上建立了高温下裂纹扩展速率的定量描述方法。论文在以下几个方面开展研究工作，并取得了具有工程应用价值的创新性研究成果：1) 对高温裂纹扩展试验技术进行了深入的研究。探讨了勾线技术对裂纹扩展速率的影响，并对柔度法、显微镜光学测量法和勾线法测量得到的裂纹长度进行了对比，为高温裂纹测量方法的选择提供了依据。针对蠕变损伤带来的拱形裂纹前缘的问题，论文提出了用标准CT试件结合光学显微镜测量及勾线技术进行蠕变－疲劳裂纹扩展试验的方法。该方法观察直接、裂纹长度测量精度高。2) 进行了室温（RT）－750 °C范围、0 s和90 s保载的裂纹扩展试验，确定了材料可发生显著蠕变裂纹扩展的临界温度Tc。研究发现，在RT－Tc和 > Tc这两个区间内的温度引起的损伤机理是不同的。当温度低于Tc时，高温带来的裂纹扩展速率的增长主要是由于氧化的作用和力学性能的退化，而保载引起的蠕变裂纹扩展可以忽略。当温度高于Tc时，材料的晶界强度发生弱化，导致保载时产生显著的蠕变损伤。3) 临界温度以下的试验研究显示，疲劳裂纹扩展曲线呈现典型的双线性特征。材料的微观结构对疲劳裂纹扩展有着显著的影响。当循环塑性区尺寸小于晶粒直径时，对数裂纹扩展速率随温度的升高而线性地增加。当循环塑性区跨跃一个晶粒以上时，较强的晶界强度对疲劳裂纹扩展起着主导作用，温度的影响基本消失。在上述机理的基础上，论文建立了疲劳裂纹扩展速率的分段描述方法。4) 在临界温度以上，开展了750°C下0 s、90 s、450 s、1500 s不同保载时间的裂纹扩展试验，并研究了蠕变与疲劳的交互作用对裂纹扩展速率的影响。论文提出了交互因子的概念用以衡量蠕变疲劳交互作用的强度。研究表明，该交互因子与保载时间的依赖关系类似于对数高斯函数，且函数的峰值与ΔK相关。据此建立了描述蠕变－疲劳裂纹扩展速率的交互模型。验证试验的结果表明该模型具有很好的预测能力。综合来看，本论文在裂纹扩展机理分析的基础上，发展了现有的温度/载荷共同作用下的裂纹扩展速率的描述方法。所建立的裂纹扩展模型是高温环境下结构的损伤容限设计方法的基础。论文进行的大量、系统的试验，在方法和结果上为进一步的高温结构的可靠性分析奠定了基础。

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