镍基合金在高温下具有优异的蠕变、疲劳以及抗氧化等力学性能,被广泛应用于热端结构部件的制造。在严苛的工作环境中,材料的微结构演化与初始缺陷对结构的蠕变以及疲劳寿命影响较大。论文采用试验与有限元分析相结合的方法,系统的研究了镍基合金的微结构演化与铸造缺陷对蠕变、疲劳等力学性能的影响。依据试验观测所得到的结果,建立了基于晶体塑性理论的各向异性蠕变粘塑性本构模型以及各向异性的弹塑性本构模型,研究了蠕变、疲劳过程的变形与损伤机制,考虑了温度、晶体取向、缺陷与应力状态对蠕变与疲劳失效的影响,并编制了ABAQUS子程序实现了有限元的模拟工作。1.本研究对三种不同取向的镍基单晶合金进行了不同温度与应力下的蠕变试验,研究了筏化与位错运动的微结构演化规律,尤其是具体取向下的滑移系开动方式与筏化形貌,证明了镍基单晶合金蠕变失效机理是材料内部微结构的演化引发的材质裂化以及裂纹萌生造成的,具有各向异性的力学特征,并提出了镍基单晶合金蠕变变形与失效的微结构演化机理。2.结合宏观与微观分析,建立了考虑Orowan效应与位错效应的各向异性蠕变粘塑性本构模型与蠕变损伤模型,并根据试验得到的蠕变曲线拟合了模型参数。该模型的有限元模拟结果与单晶材料的蠕变断口形貌相互印证,解释了单晶蠕变的各向异性力学行为的形成机理。基于对蠕变过程中微结构演化规律的定量描述,建立了镍基单晶合金的剩余寿命预测模型,实现了对服役材料剩余寿命的预测。3.提出了采用双晶圆棒试样与双晶叶片结构割取小试样相结合的蠕变实验方法,研究了晶界缺陷对于蠕变力学性能的退化机理。研究表明,晶界与拉伸方向的夹角决定了试件是否会发生沿晶界的瞬断,而晶界角度决定了蠕变过程中晶界附近位错密度的发展规律。将晶界弱化的因素引入蠕变本构方程与损伤方程,实现了对含晶界缺陷的单晶热端结构部件的蠕变寿命预测。同时,叶片割取的含晶界小试样的蠕变试验表明,由双晶圆棒试验推导出的含晶界的各向异性的蠕变本构方程能够适用于复杂的含晶界缺陷的单晶叶片结构。4.采用高温疲劳试验机对镍基多晶合金小试样进行了高温低周疲劳试验。同时建立了基于晶体塑形理论的弹塑性本构模型,用以分析含微孔洞等铸造缺陷的含多个晶粒的有限元模型。疲劳试验和有限元分析均表明,铸造缺陷加剧了晶界处由于位移协调造成的应力集中,而热等静压工艺可有效消除内部铸造缺陷,显著降低K403合金的应力集中和塑性变形,从而延长其疲劳寿命。同时,热等静压处理后的显微组织得以优化,也可提高合金的抗疲劳性能。