摘要
镍基单晶高温合金因其优良的综合性能，而被广泛应用于航空发动机涡轮叶片。飞机在起飞、爬升、巡航和降落期间，单晶涡轮叶片会受到复杂的载荷-时间-温度的影响，导致疲劳引起失效。同时，镍基单晶高温合金具有各向异性，并且在实际应用中，叶片的复杂结构也使局部区域受到多方向应力的影响。因此，研究不同晶体取向对镍基单晶高温合金疲劳行为的影响是非常必要的。在疲劳寿命早期，微观结构特征对于材料局部塑性变形的累积具有不可忽视的作用。通过扫描电子显微镜(SEM)原位疲劳实验，研究短裂纹萌生、扩展的微纳尺度层面的影响因素;结合数字图像相关方法(DIC)分析材料局部塑性变形集中，揭示微观结构演变对疲劳性能影响，对于科学预测镍基单晶高温合金服役过程中的疲劳失效行为至关重要。 本文以一种国内自主研制的二代镍基单晶高温合金为研究对象，基于课题组开发的原位SEM疲劳测试系统，研究了室温下[001]、[102]、[314]取向合金应变控制的低周疲劳行为，结合DIC，得到了疲劳早期材料的应变演化与微观组织结构间的关系，并预测裂纹萌生位置，研究了低周疲劳微裂纹的萌生与扩展及断裂机制。主要研究内容及结果如下: 观察合金的三种取向试样应变演化和裂纹萌生结果表明:三种取向试样均在循环加载200周内就产生明显的塑性变形。在室温下，不同取向的合金的应变控制疲劳的变形模式是以平面滑移为主导的，并且都遵循施密德定律。每个取向的晶体的活跃滑移系统不同。[001]取向试样开启(111)[011]和(111)[011]滑移系统，表现为交叉滑移;[102]取向试样开启(11(1))[(1)10]滑移系统，表现为单滑移;[314]试样开启(111)[(1)10]滑移系统，表现为单滑移。三种取向试样在室温疲劳中的裂纹萌生主要由滑移变形和微观组织排列不均匀引起。由于取向不同，主导试样表面裂纹萌生的滑移系也有所不同。 对合金三种取向试样的裂纹扩展和断裂机制研究表明:在裂纹萌生扩展初期阶段，裂纹扩展速率受裂纹尖端状态影响较大。裂纹的偏折和分叉可以延缓裂纹扩展速率，滑移带强度可影响裂纹扩展速率;当裂纹扩展后期，裂纹长度及张开宽度较大，裂纹尖端微观结构对裂纹扩展速率的影响逐渐减小。室温下，不同取向的试样断裂机制也有所不同。[001]取向试样主要表现为沿(111)面的解理断裂;[102]取向试样表现为沿(11(1))面的解理断裂（主要）和类解理断裂（次要）;[314]取向试样表现为沿(111)和(1(1)1)面的解理断裂（主要）和类解理断裂（次要）。 对合金的三种取向试样的疲劳性能研究表明:室温下，不同取向的试样均表现出循环软化现象，这是由于在较高的应变幅下，位错在疲劳初期剪切γ''相，γ''相对位错运动的阻力降低。单晶高温合金试样的疲劳寿命具有较强的取向依赖性，弹性模量较高的取向试样具有较低的疲劳寿命。不同裂纹扩展平面交界处，易产生长裂纹，加速疲劳断裂;裂纹扩展路径的偏折可以减缓疲劳的裂纹扩展速率，从而使裂纹扩展时间占疲劳总寿命的比例升高。
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