隨著科技的迅猛發(fā)展,對(duì)材料性能,特別是材料的高強(qiáng)韌性、長(zhǎng)疲勞壽命以及高的延遲斷裂抗力提出了更高的要求。大多數(shù)的金屬材料具有多層次的微觀結(jié)構(gòu),如雙相鈦合金、金屬間化合物、馬氏體鋼、貝氏體鋼、高熵合金等先進(jìn)金屬材料,揭示這些材料復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)中每一層次組織對(duì)力學(xué)性能的影響,具有重大的工程實(shí)用價(jià)值和科學(xué)研究意義。低碳馬氏體鋼具有典型的多層次組織,被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)齒輪、軸承等結(jié)構(gòu)件,其疲勞性能關(guān)系到馬氏體構(gòu)件的使用安全和壽命,因此研究循環(huán)載荷下板條馬氏體多層次組織對(duì)疲勞損傷機(jī)制的影響具有重要意義。本文以20CrNi2Mo鋼為研究對(duì)象,通過(guò)在900℃、1100℃、和1200℃淬火獲得了原奧氏體晶粒、馬氏體束、馬氏體塊和馬氏體條尺寸參量不同的多層次組織。借助單向等軸拉伸實(shí)驗(yàn)、緊湊拉伸實(shí)驗(yàn)和超高周疲勞實(shí)驗(yàn),結(jié)合OM、SEM、EBSD、FIB、LSCM、TEM、XRD等表征技術(shù),系統(tǒng)研究了多層次組織對(duì)板條馬氏體鋼疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的影響機(jī)制,闡明了控制板條馬氏體鋼強(qiáng)度、塑性、疲勞裂紋門(mén)檻值、裂紋擴(kuò)展阻力、裂紋萌生及早期擴(kuò)展壽命的組織結(jié)構(gòu)單元。研究結(jié)果為具有類(lèi)似微觀結(jié)構(gòu)合金的組織設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化和服役可靠性... 

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

金屬材料及其多層次組織

昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文3會(huì)顯著降低裂紋的擴(kuò)展壽命。圖1.2金屬材料和合金疲勞損傷的發(fā)展過(guò)程[3]Figure1.2ThefatiguedamageprocessfromMetalmaterialsandalloys因此，金屬材料的疲勞損傷行為包含了裂紋的萌生和裂紋的擴(kuò)展兩個(gè)階段，對(duì)于材料疲勞損傷的研究也應(yīng)該聚焦于裂紋的萌生和裂紋的擴(kuò)展兩個(gè)方面。1.2.1小裂紋的萌生和擴(kuò)展行為在美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)在頒布的ASTM-E647-11《StandardTestMethodforMeasurementofFatigueCrackGrowthRates》[6]標(biāo)準(zhǔn)中，小裂紋(smallcrack)指的是幾何尺寸(對(duì)表面裂紋而言,同時(shí)包括它的長(zhǎng)度和深度)與微觀結(jié)構(gòu)尺度、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)尺度或物理尺度比較均是較小的裂紋，也有部分文獻(xiàn)用短裂紋進(jìn)行描述。此外，在短裂紋的擴(kuò)展過(guò)程中，根據(jù)短裂紋長(zhǎng)度和裂紋尖端塑性區(qū)尺寸的大小,短裂紋也可被細(xì)分成微觀組織短裂紋、力學(xué)短裂紋和物理短裂紋[7,8]。顯微組織短裂紋(microstructurally-shortcracks)指的是裂紋尺寸小于或等于材料微觀組織尺度的裂紋，而力學(xué)短裂紋(mechanically-shortcracks)指的是長(zhǎng)度小于或等于裂紋尖端塑性區(qū)尺寸的裂紋；物理短裂紋(physically-shortcracks)指的是尺寸明顯超過(guò)了顯微組織特征尺寸或者局部塑性區(qū)尺寸的裂紋，長(zhǎng)度一般小于1~2mm。很多情況下，學(xué)者們也將短裂紋分為與微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的微觀短裂紋和與微觀結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的物理短裂紋兩種。短裂紋(裂紋)的萌生是局部塑性應(yīng)變集中引起的，應(yīng)變集中區(qū)域內(nèi)塑性塑性失穩(wěn)導(dǎo)致了裂紋萌生。由于材料的表面處于兩向應(yīng)力狀態(tài)，裂紋易于萌生在金屬表面，而對(duì)于塑性較好的純金屬(鋁、銅)、單相合金、某些非沉淀強(qiáng)化的高強(qiáng)度合金(TC4)、無(wú)夾雜或表面質(zhì)量較好的材料，裂紋通常萌生于滑移帶、晶界或者相界處。Hansson[10]和Bjerkén等人[11]的

和Laird[14]認(rèn)為晶內(nèi)交滑移屬性和晶界滑移協(xié)調(diào)性是影響晶界裂紋萌生的主要原因，且晶界裂紋是由晶界處形成的小臺(tái)階發(fā)展演變而來(lái)的，因此提出了晶界形核的臺(tái)階機(jī)制。Mughrabi[15]則提出PSB-GB(Grainboundary)交互作用的形核機(jī)制。對(duì)于強(qiáng)度較高的工業(yè)合金，短裂紋通常萌生在夾雜物或第二相粒子附近。大量研究表明，在高強(qiáng)度的鋼中，裂紋通常萌生于非金屬夾雜物或者析出物附近，且?jiàn)A雜或析出物的尺寸大于臨界尺寸后裂紋才能萌生，小夾雜物不會(huì)影響裂紋的萌生，但會(huì)影響裂紋擴(kuò)展，這種尺寸效應(yīng)與高強(qiáng)鋼的缺口敏感性相關(guān)。圖1.3界面裂紋的形成機(jī)制[9]Figure1.3Theformationmechanismofinterfacecrack小裂紋擴(kuò)展反映的是裂紋萌生后的初始擴(kuò)展行為。很長(zhǎng)一段時(shí)間，人們并沒(méi)有意識(shí)到短裂紋和長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的差異性，多數(shù)情況下并不區(qū)分短裂紋和長(zhǎng)裂紋。1975年，Pearson[5]發(fā)現(xiàn)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值相同時(shí)，在沉淀硬化鋁合金中長(zhǎng)度0.5mm以下的裂紋其擴(kuò)展速率比幾十個(gè)毫米長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展速率要快幾百倍，短裂紋擴(kuò)展與長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展存在很大的差異性，之后人們對(duì)短裂紋的擴(kuò)展行為開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究。材料微觀組織結(jié)構(gòu)在幾何和結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)性(如晶界、相界和沉淀相等)，是導(dǎo)致短裂紋和長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展特性不同的主要原因。對(duì)于長(zhǎng)度相當(dāng)于幾個(gè)晶粒尺寸的微觀裂紋，微觀結(jié)構(gòu)會(huì)影響裂尖滑移帶的運(yùn)動(dòng)、裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的微觀塑性、閉合效應(yīng)大小，因此微觀結(jié)構(gòu)的各向異性和不連續(xù)性必然會(huì)影響裂紋的擴(kuò)展行為，使得短裂紋擴(kuò)展時(shí)表現(xiàn)出與長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展不同的特性，如短裂紋的擴(kuò)展速率分

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