用同步辐射X射线CT技术研究高锰奥氏体TWIP钢疲劳裂纹三维扩展的机理

高锰奥氏体TWIP钢在疲劳载荷作用下的裂纹扩展机制还很不清楚。本项目拟首先通过疲劳裂纹扩展实验，研究具有不同层错能的高锰奥氏体钢在近门槛区和Paris区的疲劳裂纹扩展行为,对疲劳裂纹扩展过程中显微组织结构的演化规律进行分析；在此基础上，用同步辐射X射线CT技术，对不同层错能高锰奥氏体钢在疲劳加载过程中典型显微组织特征的演化和裂纹扩展过程进行三维原位观察，弄清疲劳裂纹扩展与疲劳裂纹前沿不同位置处的局部显微组织（如形变孪晶、孔洞、第二相颗粒等）、局部裂纹形貌特征之间的三维尺度交互作用；再利用三维画像基数值模拟，从断裂力学角度，弄清三维复杂裂纹的典型形貌特征（如偏折、分叉、重叠等）、以及这些特征的联合作用对疲劳裂纹扩展的影响，最终从三维角度确立高锰奥氏体钢疲劳裂纹扩展的微观机制。本项目的开展，对研发新型高锰奥氏体钢、调整其微观组织结构、提高其抗疲劳裂纹扩展能力，具有重要的实际意义和理论价值。

高锰孪晶诱发塑性（TWIP）钢具有优异的力学性能，人们对其单向拉伸性能进行大量研究，可是关于其疲劳裂纹扩展行为以及层错能对其疲劳性能的影响还不清楚。本项目首先通过疲劳裂纹扩展实验，研究了不同高锰奥氏体钢的疲劳裂纹扩展规律，探索了疲劳裂纹扩展抗力与层错能、晶粒尺寸之间的关系；通过裂纹扩展路径和显微组织的观察，研究了不同层错能和不同晶粒尺寸高锰钢的疲劳裂纹扩展机制；采用同步辐射X射线CT技术，原位加载观察了高锰钢三维裂纹扩展、裂纹前沿局部特征，研究了三维疲劳裂纹前沿局部形貌、裂纹闭合等对裂纹扩展的影响；最后采用三维画像基有限元模拟方法，研究了三维复杂裂纹前沿不同位置处的局部裂纹偏折、分叉、重叠等对疲劳裂纹扩展产生影响的力学机制。. 结果表明，在不同载荷比下，在裂纹扩展近门槛区和Paris区，粗晶粒高锰钢比细晶粒高锰钢均具有较高的疲劳抗力。晶粒尺寸对疲劳裂纹扩展抗力的影响主要是由于粗糙度和塑性诱发的裂纹闭合效应引起的，特别是在近门槛区和低载荷比情况下，这两种闭合效应对裂纹扩展抗力的提高效果更为明显。另外，粗晶粒钢易于产生裂纹分叉，消耗更多能量，因而也有助于减少裂纹尖端驱动力、进一步提高裂纹扩展门槛值。. 研究发现，在相同晶粒尺寸时，裂纹扩展门槛值随层错能的降低而提高。这是因为，随着层错能的降低，平面滑移倾向性增加，这有利于提高循环滑移的可逆性，进而提高裂纹萌生和扩展阻力。随着平面滑移倾向性的增加，滑移距离也随之增加，近门槛区的裂纹偏折程度也增加，裂纹面粗糙度也相应增加，粗糙度诱发的裂纹闭合程度随之也提高。同时，裂纹偏折程度的提高，裂纹扩展时相应会消耗更多能量。这些因素的共同作用降低了低层错能钢的裂纹扩展驱动力、提高其裂纹扩展门槛值。. 上述研究成果对研发新型高锰奥氏体TWIP钢、调整其微观组织结构、提高其抗疲劳裂纹扩展能力，确保其使用安全可靠性，具有指导意义和理论价值。.

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