高熵合金裂纹尖端微结构损伤演化机理与断裂抗力研究
发布时间：2021-03-20 09:41
裂纹失效问题广泛存在于工程实际中,是结构发生功能退化和安全事故的主要因素之一,给人们的人身和财产安全带来巨大隐患。要改进相应的损伤容限性能,一方面是要对传统的结构设计进行不断优化,另一方面则需要从底层了解材料的微观损伤机理,尤其是要能够在不同长度尺度上详细地理解裂纹尖端与微观结构的交互作用机制。而这就不仅要求人们对材料尤其是新兴工程材料的抗裂纹扩展能力进行客观的度量和评估,为结构应用提供参考依据,还应在微观尺度上对裂纹尖端微观组织结构的损伤演化规律进行深入的探究和认识,揭示其内在的同时具有力学与材料学含义的损伤机理。然而,要尝试并完成这种更本征的、交叉的、多尺度的研究,于传统研究思路和方法而言,仍存在着巨大的挑战。基于以上想法,本文以一种新兴的工程合金材料高熵合金为研究对象,开展了一系列旨在尝试探索一类延性合金材料裂纹失效机理,揭示有关抗裂纹扩展机制的科学研究。通过多种原位的、多尺度的实验表征手段,获取了大量对应于不同载荷条件与服役环境的裂纹尖端与材料微观组织结构的交互作用形式,并从力学角度和材料微观变形机制角度深入探究了裂纹尖端微结构的损伤演化规律。进而揭示和提炼出多种该类合金的抗裂...
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
机械失效的三种主要失效模式：(a)磨损失效；(b)腐蚀失效；(c)裂纹失效
高熵合金裂纹尖端微结构损伤演化机理与断裂抗力研究2构，采用全焊接船体。它的使用在初期取得了巨大成功，直到1943年，一艘航行于西伯利亚和阿拉斯加之间的自由舰发生事故，船体断裂成两半。随后，其它自由舰上相继发生了断裂事故。据统计在大约2700艘自由舰船中，近400艘遭受了断裂事故，其中90艘被认为是严重的，20艘被直接弃用。事故是由于设计、工艺、材料等方面原因，导致船体多处出现裂纹断裂失效行为。如图1.2(a)所示。2)彗星号飞机是英国德·哈维兰飞机公司设计的第一架喷气式民用客机。然而在1953年5月、1954年1月、1954年4月先后发生了三次飞机失事事故，酿成了20世纪50年代最惨痛的航空悲剧。其事故原因在于飞机执行高空飞行任务过程中，座舱在起飞和降落时分别受到增压和减压的作用，这种疲劳循环使得机身出现了疲劳裂纹缺陷，而裂纹的扩展导致了最终的事故。如图1.2(b)所示。3)德国城际特快列车(简称ICE)事故被媒体称为“德国的泰坦尼克号事件”。1998年6月3日，编号为884号的ICE列车在从慕尼黑开往汉堡的涂中发生出轨事故。事故的原因是车轮钢圈发生疲劳断裂而脱落，脱落的钢圈部分插入车厢，部分悬挂在列车车底。当列车行驶至变轨岔道时，防护轨被悬挂在车底的一小段钢条挑起，导致后面的列车偏离了正轨，酿成了列车出轨的悲剧。如图1.2(c)所示。4)哥伦比亚号是美国第一架正式服役的太空穿梭机。2003年2月1日，哥伦比亚号航天飞机在从太空返回地面时发生事故而被摧毁。事故的直接原因是发射期间外部油箱的泡沫绝缘材料撞击到了飞船的左翼，使机翼下侧的隔热瓦片受到损伤而产生了裂纹，使得返回时轨道飞行器的再入温度可达到3000°F，导致了最终的事故。如图1.2(d)所示。图1.2工业发展历史上几起与裂纹失效问题有关的重大事故的
獾靡?种Al23Co15Cr23Cu8Fe15Ni15高熵合金的断裂韧性仅约为5.8MPam。此外，还有研究工作者开展了通过使用纳米或微米压痕对高熵合金进行断裂韧性测量的工作[52,53]，间接实现了对高熵合金断裂韧性的定性度量。基于以上研究工作，可以得到以下主要规律性结果：1、相比于现有的大部分其它金属体系的材料，以CoCrFeNiMn为代表的FCC结构高熵合金具有十分优秀的断裂韧性；2、FCC结构的高熵合金相比BCC或BCC+FCC结构高熵合金具有明显更高的断裂韧性；3、CoCrFeNiMn高熵合金在低温下（77K）可保持优秀的抗断裂能力。图1.3显示断裂韧性与屈服强度关系的Ashby图，该图总结的数据覆盖了大部分材料体系，包括纯金属、金属合金、结构陶瓷、金属玻璃等。[29]在CoCrFeNiMn高熵合金优秀断裂韧性的机理研究方面，一些工作取得了有意义的结果。在Gludovatz等[29]的试验工作中，将试验后的CT试样（293K与77K）沿厚度方向中线位置切开，经过抛光处理，对内部（平面应变状态）微观组织的
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fatigue behavior of high-entropy alloys:A review[J]. CHEN PeiYong,LEE Chanho,WANG Shao-Yu,SEIFI Mohsen,LEWANDOWSKI John J,DAHMEN Karin A,JIA HaoLing,XIE Xie,CHEN BiLin,YEH Jien-Wei,TSAI Che-Wei,YUAN Tao,LIAW Peter K. Science China（Technological Sciences）. 2018(02)
[2]Al0.3CrCuFeNi2高熵合金单晶材料的制备及性能[J]. 张素芳,杨潇,张勇. 金属学报. 2013(11)
[3]树枝晶-非晶复合材料进展[J]. 张勇. 航空制造技术. 2010(06)
[4]大块金属玻璃及高熵合金的合金化作用[J]. 张勇,周云军,惠希东,王美玲,陈国良. 中国科学（G辑:物理学 力学 天文学）. 2008(04)
本文编号：3090792
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
机械失效的三种主要失效模式：(a)磨损失效；(b)腐蚀失效；(c)裂纹失效
高熵合金裂纹尖端微结构损伤演化机理与断裂抗力研究2构，采用全焊接船体。它的使用在初期取得了巨大成功，直到1943年，一艘航行于西伯利亚和阿拉斯加之间的自由舰发生事故，船体断裂成两半。随后，其它自由舰上相继发生了断裂事故。据统计在大约2700艘自由舰船中，近400艘遭受了断裂事故，其中90艘被认为是严重的，20艘被直接弃用。事故是由于设计、工艺、材料等方面原因，导致船体多处出现裂纹断裂失效行为。如图1.2(a)所示。2)彗星号飞机是英国德·哈维兰飞机公司设计的第一架喷气式民用客机。然而在1953年5月、1954年1月、1954年4月先后发生了三次飞机失事事故，酿成了20世纪50年代最惨痛的航空悲剧。其事故原因在于飞机执行高空飞行任务过程中，座舱在起飞和降落时分别受到增压和减压的作用，这种疲劳循环使得机身出现了疲劳裂纹缺陷，而裂纹的扩展导致了最终的事故。如图1.2(b)所示。3)德国城际特快列车(简称ICE)事故被媒体称为“德国的泰坦尼克号事件”。1998年6月3日，编号为884号的ICE列车在从慕尼黑开往汉堡的涂中发生出轨事故。事故的原因是车轮钢圈发生疲劳断裂而脱落，脱落的钢圈部分插入车厢，部分悬挂在列车车底。当列车行驶至变轨岔道时，防护轨被悬挂在车底的一小段钢条挑起，导致后面的列车偏离了正轨，酿成了列车出轨的悲剧。如图1.2(c)所示。4)哥伦比亚号是美国第一架正式服役的太空穿梭机。2003年2月1日，哥伦比亚号航天飞机在从太空返回地面时发生事故而被摧毁。事故的直接原因是发射期间外部油箱的泡沫绝缘材料撞击到了飞船的左翼，使机翼下侧的隔热瓦片受到损伤而产生了裂纹，使得返回时轨道飞行器的再入温度可达到3000°F，导致了最终的事故。如图1.2(d)所示。图1.2工业发展历史上几起与裂纹失效问题有关的重大事故的
獾靡?种Al23Co15Cr23Cu8Fe15Ni15高熵合金的断裂韧性仅约为5.8MPam。此外，还有研究工作者开展了通过使用纳米或微米压痕对高熵合金进行断裂韧性测量的工作[52,53]，间接实现了对高熵合金断裂韧性的定性度量。基于以上研究工作，可以得到以下主要规律性结果：1、相比于现有的大部分其它金属体系的材料，以CoCrFeNiMn为代表的FCC结构高熵合金具有十分优秀的断裂韧性；2、FCC结构的高熵合金相比BCC或BCC+FCC结构高熵合金具有明显更高的断裂韧性；3、CoCrFeNiMn高熵合金在低温下（77K）可保持优秀的抗断裂能力。图1.3显示断裂韧性与屈服强度关系的Ashby图，该图总结的数据覆盖了大部分材料体系，包括纯金属、金属合金、结构陶瓷、金属玻璃等。[29]在CoCrFeNiMn高熵合金优秀断裂韧性的机理研究方面，一些工作取得了有意义的结果。在Gludovatz等[29]的试验工作中，将试验后的CT试样（293K与77K）沿厚度方向中线位置切开，经过抛光处理，对内部（平面应变状态）微观组织的
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fatigue behavior of high-entropy alloys:A review[J]. CHEN PeiYong,LEE Chanho,WANG Shao-Yu,SEIFI Mohsen,LEWANDOWSKI John J,DAHMEN Karin A,JIA HaoLing,XIE Xie,CHEN BiLin,YEH Jien-Wei,TSAI Che-Wei,YUAN Tao,LIAW Peter K. Science China（Technological Sciences）. 2018(02)
[2]Al0.3CrCuFeNi2高熵合金单晶材料的制备及性能[J]. 张素芳,杨潇,张勇. 金属学报. 2013(11)
[3]树枝晶-非晶复合材料进展[J]. 张勇. 航空制造技术. 2010(06)
[4]大块金属玻璃及高熵合金的合金化作用[J]. 张勇,周云军,惠希东,王美玲,陈国良. 中国科学（G辑:物理学 力学 天文学）. 2008(04)
本文编号：3090792
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