調和組織結構不鏽鋼的疲勞性能及失效機制研究

《調和組織結構不鏽鋼的疲勞性能及失效機制研究》是依託天津大學，由張喆擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：調和組織結構不鏽鋼的疲勞性能及失效機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張喆
• 依託單位：天津大學

項目摘要

“調和組織結構”是由粗晶和具有空間網狀拓撲結構的超細晶組成的雙模態結構。超細晶的空間網狀拓撲結構已被證明對改善強度和韌性有著重要作用。研究這種結構材料的疲勞失效機制，對於高強、高韌和耐疲勞損傷金屬材料的設計和使用具有重要意義。本項目擬利用機械球磨和粉末燒結技術，精確調控晶粒尺度、體積分數和空間網狀拓撲結構，製備“調和組織結構”不鏽鋼。並通過應力控制的疲勞試驗系統研究其在不同載荷條件下的循環變形、疲勞壽命、微觀結構演變以及裂紋萌生擴展規律。澄清“調和組織結構”中微觀結構特徵（晶粒尺度、體積分數和空間網狀拓撲結構）對循環應力應變相應和疲勞壽命的影響，揭示超細晶的空間網狀拓撲結構的循環穩定性和疲勞損傷機制。通過控制晶粒尺度、體積分數和空間網狀拓撲結構來最佳化綜合力學性能，為高強、高韌和耐疲勞的工程材料設計及安全使用提供實驗依據和理論指導。

結題摘要

本項目探究“調和組織結構”不鏽鋼的超細晶的空間網狀結構特徵對循環變形力學行為、疲勞壽命及疲勞失效機制的影響。不同晶粒結構的“調和組織結構”316L不鏽鋼通過機械球磨及隨後的粉末燒結和機械加工熱處理方法製備。結果表明，超細晶的空間網狀結構可以提供附加的加工硬化，從而實現材料的高強高韌。通過應力控制的疲勞試驗表明，調和組織機構316L不鏽鋼的疲勞極限明顯增加。調和組織結構316L不鏽鋼具有良好的循環穩定性。調和組織316L不鏽鋼的疲勞裂紋擴展試驗在應力比0.1至0.5之間開展。結果表明，應力比對調和組織結構316L不鏽鋼的疲勞裂紋擴展速率影響較小，並且隨著晶粒尺寸的降低，疲勞裂紋擴展速率沒有明顯增加。調和組織結構中粗晶可以阻礙疲勞裂紋的擴展，產生裂紋的偏折和二次裂紋，這些可以減緩疲勞裂紋擴展速率。調和組織結構中的連續的網狀超細晶可以提高材料的強度從而提高了材料的疲勞裂紋萌生阻力。同時，粗晶可以抑制疲勞裂紋擴展。因此調和組織結構設計可以有效實現金屬結構材料的高強高韌和耐疲勞。為了解決局部應變測量的難題，本項目使用純有機的力致發光材料檢測局部應力應變回響和疲勞裂紋擴展。本方法可以實現全場、實時和可視化的機械部件健康監測。本項目的研究成果為高強、高韌和耐疲勞損傷的非均勻結構材料的設計及在工程上的安全使用提供實驗依據和理論指導。