随着科技的迅猛发展,对材料性能,特别是材料的高强韧性、长疲劳寿命以及高的延迟断裂抗力提出了更高的要求。大多数的金属材料具有多层次的微观结构,如双相钛合金、金属间化合物、马氏体钢、贝氏体钢、高熵合金等先进金属材料,揭示这些材料复杂微观结构中每一层次组织对力学性能的影响,具有重大的工程实用价值和科学研究意义。低碳马氏体钢具有典型的多层次组织,被广泛应用于生产齿轮、轴承等结构件,其疲劳性能关系到马氏体构件的使用安全和寿命,因此研究循环载荷下板条马氏体多层次组织对疲劳损伤机制的影响具有重要意义。本文以20CrNi2Mo钢为研究对象,通过在900℃、1100℃、和1200℃淬火获得了原奥氏体晶粒、马氏体束、马氏体块和马氏体条尺寸参量不同的多层次组织。借助单向等轴拉伸实验、紧凑拉伸实验和超高周疲劳实验,结合OM、SEM、EBSD、FIB、LSCM、TEM、XRD等表征技术,系统研究了多层次组织对板条马氏体钢疲劳裂纹萌生和扩展的影响机制,阐明了控制板条马氏体钢强度、塑性、疲劳裂纹门槛值、裂纹扩展阻力、裂纹萌生及早期扩展寿命的组织结构单元。研究结果为具有类似微观结构合金的组织设计、性能优化和服役可靠性设计提供了实验数据和理论支撑。借助单向等轴拉伸实验和经典的Hall-Petch公式证实板条马氏体钢多层次组织中马氏体块单元对强度的控制作用。界面模型计算和EBSD测试表明,随着淬火温度的升高,多层次组织中大角度界面的体积百分含量降低了11%,导致了马氏体组织强度的降低。同时马氏体条数量和条界体积百分含量增加,马氏体条的旋转、弯曲和界面滑移增大了板条马氏体组织界面协调变形能力,条在塑性变形中对塑性起主导作用。采用紧凑拉伸实验测试疲劳裂纹在近门槛区的扩展行为,900℃、1100℃、和1200℃淬火板条马氏体组织的门槛值分别为6.1MPa*m^1/2、7.1MPa*m^1/2和8.2MPa*m^1/2,转折点处的应力强度因子幅值为10.5MPa*m^1/2、12.2MPa*m^1/2和14.7MPa*m^1/2,对比裂纹尖端循环塑性区半径和多层次组织尺寸,发现控制门槛值的组织单元是马氏体块和马氏体板条,而控制裂纹扩展速率转折行为的结构单元是马氏体块。借助SEM对转折点前后的断口形貌和扩展路径分析,发现裂纹在近门槛区的扩展具有晶体学特征,断口形貌表现为累积损伤的扩展模式,而裂纹在稳态扩展区呈现典型的疲劳条带特征。疲劳裂纹的扩展路径受位错滑移特性影响,当裂纹的扩展方式由单滑移转变为多滑移时,裂纹扩展速率曲线上出现转折行为;对裂纹在晶界、束界和块界的偏转角进行统计,结果表明裂纹的平均偏转角分别为19°、38°和45°,裂纹在取向差最大的块界处偏折程度最大,说明裂纹的偏折与马氏体多层次组织的晶体学取向差相关。EBSD分析发现,疲劳裂纹扩展沿晶体有利滑移面扩展。借助紧凑拉伸实验测试裂纹本征扩展阻力和闭合扩展阻力。测试结果表明,1200℃淬火粗晶组织的闭合系数U值在0.6⁰.7区间,而900℃淬火细晶组织的闭合系数U值在0.7⁰.8区间,揭示了板条马氏体钢中裂纹扩展阻力主要来源于裂纹前端消耗的塑性变形功,且本征扩展阻力与闭合扩展阻力呈协同增加的关系。分析裂纹扩展路径表明,多层次组织中板条的长宽比对裂纹的扩展行为和扩展阻力起控制作用。1200℃淬火粗晶组织中板条长宽比为130,是细晶组织的20倍,当板条的长宽比较大时,易于获得曲折的扩展路径,当裂纹回转到主扩展方向时会切割更多的微观结构,因此裂纹扩展消耗了大的塑性变形功。同时,大的路径偏折也增大了断口表面粗糙度,增大了裂纹扩展的闭合效应。超高周疲劳试验证明900℃淬火细晶组织10⁸cycle下的疲劳强度较1200℃淬火粗晶组织高30MPa。计算获得:断口GBF区裂纹的扩展速率为10^-710^-8mm/cycle,900℃淬火组织ΔK_GBF的平均值为4.47 MPa*m^1/2,而1200℃淬火粗晶组织ΔK_GBF的平均值为4.34MPa*m^1/2,表明细晶组织GBF半径较大是细晶组织具有高疲劳强度的主要原因。此外,对比20CrNi2Mo板条马氏体钢裂纹扩展速率曲线,发现900℃淬火细晶组织在FIE区域的扩展过程为裂纹萌生、近门槛扩展和稳态扩展3个阶段,而1200℃淬火粗晶组织并没有Paris扩展阶段。对GBF区的形成机制研究发现,GBF区的形成与断面粗糙度变化、扩展机制变化有关,而GBF区晶粒的细化程度与该区域内的应变累积程度有关。利用位错塞积模型,建立了疲劳裂纹在GBF区扩展的寿命模型,获知影响N_GBF的因素包含屈服强度、抗拉强度和微观结构特征尺寸,结果表明马氏体块和条的尺寸共同影响了裂纹的萌生和扩展行为。