镍基合金具有优良的高温力学性能、抗腐蚀、抗氧化性能以及组织稳定性,被广泛用于核电蒸汽发生器等关键部件的制造中。但是镍基焊缝中易产生高温失塑裂纹。高温失塑裂纹是一种固态的晶界裂纹。晶界形态和晶界碳化物直接影响高温失塑裂纹的产生。高温失塑裂纹的尺寸较小并且会诱导其他形式的开裂,因此,焊缝金属中高温失塑裂纹的存在直接影响核电设备的运行安全。然而,对于高温失塑裂纹的产生机制还没有统一的认识。尽管高温失塑的产生机制尚不明确,但是高温失塑裂纹由晶粒尺度内局部不均匀塑性变形所引起的观点得到了研究者的广泛共识。因此,澄清晶界形态和晶界碳化物对晶粒尺度内局部不均匀塑性变形的影响规律是揭示镍基焊缝中高温失塑裂纹产生机制的关键。镍基焊缝中晶界碳化物MC和弯曲柱状晶界同时存在,实验研究很难分别考虑弯曲晶界和MC对不均匀塑性变形的影响。对于另一种晶界析出相M23C6,其尺寸较小并且与基体的一侧具有共格关系,单一的实验研究更难揭示M23C6对不均匀塑性变形的影响。因此,本文利用晶体塑性有限元方法系统研究晶界形态和晶界碳化物对Ni-Cr-Fe焊缝局部不均匀塑性变形的影响。论文主要研究内容和结论包括:(1)利用唯象型的晶体塑性模型研究了晶界形态和MC对局部不均匀塑性变形行为的影响。研究表明,弯曲晶界促进了晶界附近滑移系的开动,有效地分担了晶界上的塑性变形,降低了晶界上应力集中和应变局部化的程度,从而提高了 Ni-Cr-Fe焊缝抵抗高温失塑裂纹的能力。晶界碳化物MC与基体的临界分切应力和硬化行为存在显著的差异,加剧了基体与MC界面处的不协调变形行为,促进裂纹在界面处优先萌生。MC和弯曲晶界对高温失塑裂纹的影响作用相反。在实际应用中,为降低镍基焊缝对高温失塑裂纹的敏感性应考虑在尽量减少MC的情况下得到弯曲晶界。(2)为了澄清M23C6镍基焊缝中不均匀塑性变形的影响,首先建立了基于位错密度的晶体塑性模型。通过对比镍基单晶高温合金中孔洞对不均匀塑性变形行为影响的原位拉伸实验结果和晶体塑性模拟结果,验证晶体塑性模型的准确性。更深入的研究表明,孔洞的引入促进了试样上各向异性塑性变形行为的发生,加剧了试样表面和中心平面上变形行为的差异。孔洞之间的交互作用改变了应力分布的特征,导致侧孔周围发生不对称的塑性变形。侧孔周围较高的塑性变形导致裂纹优先在侧孔上萌生。第二取向影响滑移系的开动,与第二取向为[110]试样相比,第二取向为[100]试样上开动了较多的滑移系并且塑性滑移量均匀分布,因而[100]试样的抗拉强度和断裂应变高于[11 0]试样。(3)为了揭示M23C6与基体之间的界面对局部塑性变形的影响,在基于位错密度的晶体塑性模型的基础之上,建立了位错-晶界交互作用模型,得到了基于位错密度的双晶模型。通过对比双晶微柱试样变形行为的实验和模拟结果验证了位错-晶界交互作用模型的准确性。借助晶体塑性模型分析了双晶试样上的不均匀变形行为。研究表明,取向决定了各晶粒在加载方向上的弹性模量,进而决定各晶粒上所承担的弹性应力。晶粒上的应力和Schmid因子共同影响晶粒上滑移系的开动。开动滑移系之间的夹角决定塑性滑移与晶界之间的交互作用,最终影响双晶试样上的不均匀塑性变形。(4)利用基于位错密度的晶体塑性模型分析了 M23C6对局部不均匀塑性变形的影响。结果表明,M23C6开始发生塑性变形时,基体已发生了大量的塑性变形,界面处发生了明显的晶格旋转。晶格旋转导致滑移系之间的夹角增大。M23C6和基体上开动的滑移系也存在明显的差异。二者共同作用的结果使得M23C6与基体之间的界面阻碍基体上的塑性滑移向M23C6的传递。M23C6影响变形过程中应力的分配,抑制相邻晶粒之间的相互作用,因而促进了不均匀塑性变形的发生,降低了 Ni-Cr-Fe焊缝抵抗高温失塑裂纹的能力。M23C6的特征影响界面上弹性应力的分布。与颗粒状M23C6相比,长条状M23C6周围非对称的应力导致界面两侧可能同时发生明显的塑性变形。长条状M23C6减少了界面上优先变形的位置,加剧了不均匀塑性变形的发生,增加了 Ni-Cr-Fe焊缝对高温失塑裂纹的敏感性。