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原位TiB2/2024复合材料,在航空航天等领域具有巨大的应用前景。作为新型航空材料,其在交变载荷下的长期安全服役尤为重要,因此研究其疲劳断裂机理具有极其重要的科学研究和工程应用意义。尽管如此,目前对原位TiB2/2024复合材料的疲劳断裂行为尚缺乏深入的、定量的研究。鉴于此,本文主要利用EBSD、TKD、STEM、FIB和原位SEM等方法系统地研究了微观组织对原位TiB2/2024复合材料高周疲劳（HCF）性能及疲劳裂纹扩展的影响,为原位TiB2/Al复合材料体系的开发与应用提供疲劳断裂相关的理论支撑。主要结论如下:在原位TiB2/2024复合材料微观组织的研究中发现,TiB2颗粒在热挤压过程中易形成TiB2颗粒富集区和贫瘠区。结合TiB2颗粒的分布特征,分析了TiB2颗粒对回复、再结晶,晶粒长大及固溶处理等过程的影响,研究结果表明:（1）挤压变形过程中,富集的TiB2颗粒能促进动态再结晶,而弥散的TiB2颗粒抑制动态回复、再结晶。（2）在TiB2颗粒富集区,TiB2颗粒易在第二相（S/θ相）表面形成“壳层”效应,严重阻碍了S/θ相的固溶扩散过程,限制了常规固溶处理温度条件下力学性能的提升。提高固溶温度至共晶相始熔温度附近,能明显促进固溶过程且无过烧现象。（3）TiB2颗粒在热处理过程中抑制静态再结晶和晶粒长大,使复合材料的微观组织表现出良好的热稳定性。（4）根据TiB2颗粒的分布特征,本文提出了复合材料固溶处理过程中的扩散模型和稳定晶粒尺寸的预测模型,揭示了复合材料第二相固溶和微观组织热稳定性的机理,计算结果与实验结果比较吻合。在原位TiB2/2024复合材料HCF性能的研究中发现,提高复合材料的固溶温度有利于提高HCF极限强度,且505 oC固溶处理后可获得最大的HCF极限强度,与合金相比,HCF极限强度（～360 MPa）得到显著提高。基于微观组织和断口腐蚀处理,分析了复合材料HCF寿命提高的原因和HCF断裂特征,研究结果表明:（1）提高复合材料的固溶温度可降低第二相萌生裂纹的概率,提高HCF寿命。（2）TiB2颗粒提高了复合材料的弹性极限,降低应变幅和位错的增殖速度,抑制循环软化,提高HCF寿命。（3）TiB2颗粒阻碍位错在晶界塞积,减少晶界处的应力集中,提高HCF寿命。（4）{100}和{111}是HCF裂纹扩展区最主要的断裂面,其相对分数取决于织构分数,而且{100}断裂面上的裂纹扩展速率明显大于{111}断裂面。晶体学断裂特征主要沿{100}＜001＞和{111}＜110＞方向扩展,部分沿{111}＜112＞方向扩展。（5）HCF裂纹扩展区,大角晶界阻碍裂纹扩展的程度与几何位置系数sin（α）近似成正比,α为局部裂纹扩展方向与大角晶界的夹角;小角晶界对裂纹扩展无明显影响。在疲劳裂纹扩展速率的研究中发现,原位TiB2/2024复合材料在低、中ΔK阶段的da/d N明显低于合金,在中间ΔK阶段的da/d N曲线服从Pairs关系,不同ΔK阶段的断裂特征不同。基于断口分析和裂纹扩展的位错模型,研究结果表明:（1）低ΔK阶段,＜100＞晶粒主要在垂直加载方向发生解理断裂,扩展方向为＜110＞;＜111＞晶粒主要发生剪切断裂,扩展方向为＜110＞。（2）中间ΔK阶段,与HCF裂纹稳定扩展区类似,韧性疲劳辉纹是最主要的断裂特征,晶体学扩展特征为{100}＜001＞和{111}＜110＞。（3）高ΔK阶段,主要形成韧窝和较宽的韧性疲劳辉纹。（4）从微观组织揭示了Pairs公式相关参数与裂纹扩展速率的关系:参数C主要与弹性模量、屈服强度和循环硬化指数密切相关,TiB2颗粒明显提高复合材料的弹性模量、屈服强度和循环硬化指数,使复合材料的C值明显降低,减小疲劳裂纹扩展速率;参数n主要与应变硬化指数相关,TiB2颗粒促进位错累积,使n值增大,导致疲劳裂纹扩展速率的增速高于基体合金。（5）TiB2颗粒和晶界能引起裂纹偏折或扭转,有利于降低疲劳裂纹扩展速率。在原位SEM定量研究TiB2/2024复合材料疲劳断裂机理中发现,TiB2颗粒对疲劳裂纹萌生和扩展有极其重要的影响。基于对裂纹萌生和扩展的定量分析,研究结果表明:（1）疲劳裂纹主要萌生于（S/θ+TiB2）富集区并发展为主裂纹。由于TiB2颗粒尺寸小、断裂强度高及界面结合良好,TiB2颗粒断裂或脱粘而萌生裂纹的概率极小。（2）较窄的TiB2颗粒条带（＜～5μm）能阻碍裂纹扩展;较宽的TiB2颗粒条带（＞～10μm）内颗粒紧密堆积且常伴有未完全固溶的S/θ相,加速裂纹扩展。（3）TiB2颗粒引起裂纹偏折和扭转,减小裂纹尖端的有效应力强度因子,降低裂纹扩展速率。（4）TiB2颗粒贫瘠区易形成滑移带和亚晶,滑移带和小角晶界（LAGB）处应变集中促进裂纹沿滑移带和LAGB扩展。然而,TiB2颗粒可以抑制滑移带及亚晶的形成和粗化,减少裂纹在滑移带和晶界处萌生和扩展。（5）从能量的角度提出位错在晶粒内和晶界处运动的能量模型,分析了位错运动与疲劳裂纹扩展的关系。