单晶高温疲劳损伤参量的选取与寿命建模

高温疲劳损伤是引起单晶涡轮叶片破坏的主要因素之一。利用不同试验条件下DD6标准试件的低周疲劳和蠕变-疲劳试验结果,结合基于滑移系的黏塑性应力-应变分析,分别研究了晶体取向、应变范围、平均应变以及保载时间等对单晶高温疲劳损伤的影响机制。进而采用滑移剪应变最大的滑移系作为临界滑移系,选取临界滑移系上的最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、循环Schmid应力比以及滑移剪应变范围等细观参量作为损伤参量,建立了一种新的基于临界平面的循环损伤累积（CDA）模型。结果表明,该模型对于DD6高温疲劳寿命预测精度基本在3倍分散带内。     

复杂载荷下疲劳寿命估算

 本文给出了LY12CZ铝合金板材的循环硬化规律;以材料在循环载荷作用下累积的塑性滞后能作为疲劳损伤准则,证明了应力控制等幅循环加载条件下损伤累积随循环次数变化的非线性,导出了材料瞬态塑性应变能的计算公式,算出了破坏发生时材料耗散的总塑性应变能,并给出了它与应力变程的关系。文中把疲劳损伤分为静拉伸损伤与循环损伤两部分,给出了损伤累积模型。以该模型为基础,计算了两级加载、4级加载和程序加载下光滑试件的疲劳寿命。计算结果与试验结果符合很好。     

单晶高温合金低循环疲劳寿命的三维应力应变模型

将正交各向异性材料屈服函数中的等效应力的概念进行了推广,给出了单晶材料在三维交变载荷作用下疲劳损伤等效应力幅和等效塑性应变幅的计算公式。用等效应力幅和等效塑性应变幅对单向应力作用下的低循环疲劳寿命模型进行修正,提出了一种单晶材料在三维交变载荷作用下的低循环疲劳寿命模型。用所提出的三维低循环疲劳寿命模型预测了单晶材料PWA1480的低循环疲劳寿命,同时与试验结果进行了比较。     

镍基单晶高温合金热机械疲劳行为与寿命建模

通过DD6单晶薄壁管试样机械应变控制热机械疲劳(TMF)试验,获取温度交变、相位角以及载荷控制方式对单晶应力应变响应与疲劳寿命的影响规律。结果表明:温度交变会引起明显的应力不对称性并造成额外损伤,导致TMF寿命明显低于最高循环温度的等温疲劳(IF)寿命,并且反相(OP)循环寿命普遍要低于同等载荷的同相(IP)循环,这种寿命变化趋势与应力控制存在明显差异。采用Walker本构模型进行单晶材料在不同TMF循环下的滑移系黏塑性分析,构建单晶TMF损伤与滑移系细观应力应变参量的关联。在此基础上,选取最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、滑移剪应变范围、循环Schmid应力比作为损伤参量,建立基于细观参量的TMF寿命模型,其对不同相位、不同载荷控制方式的TMF寿命预测精度均在2倍分散带内。      

热处理对AZ80镁合金疲劳性能的影响

通过对AZ80镁合金进行总应变幅控制下的室温低周疲劳实验,研究其在热锻、时效态(T5)、固溶时效态(T6)三种不同热处理状态下的循环应力响应、疲劳寿命和循环应力-应变行为。结果表明:在三种不同的热处理制度下,AZ80镁合金大体上都表现为循环应变硬化现象;此外,AZ80镁合金的应变疲劳寿命与塑性应变幅、弹性应变幅之间的关系分别服从Coffin-Manson和Basquin关系式。随着外加总应变幅的不断增大,其疲劳寿命减少。在0.3%的最小外加总应变幅下,AZ80热锻态的疲劳寿命最长;在0.9%的最大外加总应变幅下,AZ80-T5的疲劳寿命最长,而热锻态最短。此外,对疲劳断口形貌的观察结果表明,疲劳裂纹萌生于疲劳试样表面,并以穿晶方式扩展。     

TC11钛合金盘不同显微组织的疲劳-蠕变特性

3种显微组织的TC11合金盘疲劳-蠕变交互作用试验的结果表明,循环应力σ_(max)在560～660MPa范围内,双态组织具有最好的疲劳-蠕变性能,网篮组织次之,等轴组织最差;其它应力范围,网篮组织寿命远高于等轴组织,也高于双态组织。SEM观察发现,3种组织裂纹源区和扩展早期均具有明显的解理特征,且解理平面的形成与裂尖塑性应变累积和高温氧化效应有关。随着裂纹扩展,解理迹象逐减,疲劳条纹和蠕变空洞骤增,交互作用明显增强。     

T225NG钛合金的单轴棘轮行为:实验与模型

通过一系列单轴应力循环实验对T225NG钛合金进行了长次循环棘轮行为研究。研究表明,在一定峰值应力范围内经数万次应力循环后材料具有棘轮安定性;棘轮疲劳损伤与幅值应力和峰值应力相关,当幅值应力为峰值应力的一半时,棘轮变形达到安定后产生疲劳破坏,疲劳寿命与峰值应力或SR应变（饱和棘轮应变）之间满足幂律关系;在幅值应力仅为峰值应力的1％～2．5％时,材料依然可以产生棘轮塑性应变累积并经过数十万次循环后达到安定,且蠕变附加效应不显著;当峰值应力取为屈服强度85％～100％时,初始棘轮塑性应变率为零,但经过数万次循环后仍可以产生1．4％～2．5％塑性应变累积。基于峰值应力与T225NG合金单轴棘轮塑性累积之间所具有的单调特性以及棘轮演化的门槛特性,本文重点发展了SRM抛物律本构模型,该模型可较好预测T225NG合金单轴SR应变,也可用于估算蠕变的安定塑性累积。论文还讨论了关于棘轮演化的分类问题。     

一种修正的应变范围区分法

针对高强度、低延性材料非弹性应变范围小、难以区分的特点,提出一种修正的应变范围区分方法。该方法不区分非弹性应变中的塑性和蠕变,定义了3种基本类型的非弹性应变范围,即拉伸塑性-压缩塑性非弹性应变范围、拉伸塑性和蠕变-压缩塑性非弹性应变范围和拉伸塑性-压缩塑性和蠕变非弹性应变范围。对同时包含拉/压蠕变的循环,采用线性累积损伤法则预测其寿命。用Rene’95材料650℃下控制应变的循环松弛试验数据对修正方法进行了验证,结果表明:对Rene’95材料的蠕变疲劳寿命,修正方法的预测能力好于应变范围区分法(SRP),对基本试验的寿命预测精度基本上在2倍范围之内。      

热声激励下高温合金薄壁结构振动响应试验验证与疲劳寿命预测

为了研究金属薄壁结构在热声循环激励下形成的内部残余应力(Residual Stress)对模态频率、响应规律及疲劳性能的影响，采用耦合的有限元/边界元法(FEM/BEM)对薄壁结构进行振动响应计算，重点研究带残余应力结构的动力学响应特性，并与试验结果进行对比分析。结果表明，不同温度下基频的计算值与试验值获得很好的一致性，计算的应变响应结果与试验测试结果量值相当，验证了热声响应计算方法与模型的有效性。最终结合改进雨流计数法(Improved Rain-flow Counting)、Morrow平均应力模型、Miner线性损伤累积理论计算随机疲劳寿命。结果表明，带残余应力结构在屈曲前后温度为50℃，150℃，250℃所对应的损伤量级分别为10-7，10-4，10-7，疲劳寿命也表现出先减小后增大趋势，且硬化现象使疲劳寿命整体降低，寿命谷值随温度变化发生偏移。     

冷轧态5B70合金超塑性行为研究

为了探究冷轧态5B70合金超塑性行为,利用高温拉伸试验对冷轧板材在不同参数下的变形规律进行研究。结果表明:在初始应变速率为5×10~(-4)～1×10~(-2) s~(-1)和拉伸温度为450～500℃范围内,冷轧5B70合金板材具有良好的超塑性;500℃为合金的最佳超塑性变形温度,1×10~(-3) s~(-1)为最佳初始应变速率,在最佳超塑性条件下合金的最大延伸率达到了670%,应变速率敏感性指数为0.43;在超塑性变形过程中,由于动态再结晶作用,原始纤维组织逐渐转变为等轴晶,并且晶粒明显细化;合金的超塑性变形是再结晶辅助下晶界滑移为主的变形机理,表现出了明显的晶间断裂特征。     

基于应变速率循环法的TA15钛合金超塑性本构方程

采用应变速率循环法对TA15钛合金进行三组高温超塑性拉伸试验,变形温度区间为850~950℃,应变速率循环区间为5×10-6~5×10-4s-1。分析拉伸试验数据后,计算出TA15钛合金动态再结晶激活能Q,结合金相组织分析得出其热变形过程中发生了动态再结晶的结论;并利用Arrhenius模型构建超塑性本构方程,应用origin数据处理软件进行数据分析,求得TA15钛合金高温条件下的超塑性本构方程。运用1stopt软件修正了该本构方程,使其精度达到99.3%。结果表明,TA15钛合金的流动应力对变形温度较为敏感,随着温度的升高,流变应力逐渐减小,软化机制愈发明显,且在900℃附近的超塑性较好,伸长率达到了846%。     

非对称循环载荷下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测

在680℃温度下进行[001]、[011]和[111]三种取向的DD3单晶合金光滑试样非对称循环载荷低周疲劳试验,结果表明,晶体取向对DD3单晶合金的应变疲劳寿命有显著的影响,[001]取向寿命最长,[111]取向寿命最短.用晶体取向函数修正总应变范围可以在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响.引人参量k表示载荷循环特性对疲劳寿命的影响,它与循环寿命之间呈幂函数关系.根据影响单晶叶片低周疲劳寿命的主要因素,提出循环塑性应变能的计算方法,构成塑性应变能的主要因素应包括总应变范围、取向函数和载荷循环特性等影响参量,它们与塑性应变能之间呈幂函数关系.用塑性应变能作为损伤参量导出单晶合金低周疲劳寿命预测模型,利用低周疲劳试验数据进行多元线性回归分析,所有试验数据均落在2.6倍偏差的分布带内.     

基于塑性应变能的中低周疲劳概率寿命模型

由于材料、尺寸以及载荷等的分散性,涡轮盘疲劳寿命存在较大的分散性。在充分考虑材料加卸载应力、应变及应力比对疲劳寿命影响的基础上,提出了一种适用于中低周疲劳的塑性应变能概率寿命模型。该模型在考虑材料、尺寸和载荷等导致寿命分散的因素的基础上,重点考虑了循环应力应变曲线的分散性,结合根据应力比的二次插值,获得了插值范围内任意应力比下的塑性应变能损伤参量与疲劳寿命的关系。运用所提概率寿命模型结合响应面法与蒙特卡洛法对某涡轮盘螺栓孔模拟试件进行了概率寿命分析。结果显示,模拟试件的计算结果与试验结果的中位寿命仅相差022%,寿命分散系数相差581%,说明本概率寿命模型概率寿命预估精度高。      

考虑应力松弛的缺口疲劳寿命预测方法

为了能够快速准确获得循环载荷条件下缺口局部应力应变并用于缺口疲劳寿命预测,基于粘塑性本构方程及光滑试样循环应力应变试验结果,发展了一种应力应变简化计算方法,采用该方法计算得到的光滑试样循环应力应变结果与试验结果的误差在5%以内,并将该方法结合寿命预测方程采用迭代的方式用于粉末高温合金FGH97单边圆形缺口试样疲劳寿命预测。结果表明:所发展的方法充分考虑了FGH97合金单边圆形缺口试样缺口根部区域的应力松弛,取得了较好的寿命预测结果,其分散带基本在2倍以内。     

一种TiAl合金高温低循环疲劳性能及失效机理

通过对TiAl合金进行总应变范围控制的高温(750℃)低循环疲劳实验,研究双态(Duplex,DP)和全片层(Fully Lamellar,FL)组织形态对TiAl合金低循环疲劳性能和寿命的影响,并采用总应变幅-寿命方程对两类组态TiAl合金低循环疲劳寿命进行预测。结果表明:在相同温度和应变条件下,DP组态TiAl合金稳态迟滞回线对应的平均应力明显低于FL组态TiAl合金稳态迟滞回线对应的平均应力;采用总应变幅-疲劳寿命方程能够准确预测两种组态TiAl合金在750℃下的疲劳寿命,预测寿命基本位于试验寿命的±2倍分散带以内;另外,DP组态TiAl合金的疲劳源区位于试样的近心部,而FL组态TiAl合金的疲劳源区位于试样的次表面,两类组态TiAl合金的高温疲劳失效机理存在明显差异。     

30CrMnSiNi2A材料瞬态应力应变曲线的数学描述

本文从工程应用角度出发,提出了能同时考虑应变比、应变幅和进入塑性反复数等多因素影响下瞬态б—ε曲线统一数学表达式△б_(yR)=f(R∈,∈_a,logR),该拟合方法与试验结果符合良好。     

用塑性滞后能原理估算随机载荷下的疲劳寿命

 材料的疲劳损伤包括静力损伤和循环损伤,静力损伤为第一次静力加载引起的塑性应变能与静力韧性之比；循环损伤由循环塑性滞后能与疲劳韧性之比来计算,计算中计及了材料循环硬化（或软化）引起的屈服应力增大（或减小）的影响。为了简化计算,假设在循环加载时应力一应变曲线均按迟滞回线规律变化；不同应力变程下材料疲劳韧性可由对称循环的应力控制疲劳试验确定。本文提出了一种比较合理又便于工程应用的、用塑性滞后能原理估算随机载荷下疲劳寿命的新方法,初步的试验验证是令人满意的。     

4种铝合金的应变疲劳力学特性的研究

 分析了 4种铝合金在循环应变作用下的力学行为及材料在纵、横或高向的应变疲劳力学性能的差异。实验结果表明,不同的取样方向对铝合金的应变疲劳寿命的影响主要取决于材料的塑性。4种铝合金在纵、横或高向的循环应力-应变行为均表现为循环硬化。7475 T735 1合金较之其他 3种材料具有较好的应变疲劳特性     

低周疲劳预损伤对TA11合金高周疲劳强度的影响

试验研究了预先经历一定次数的低周疲劳(low cycle fatigue, LCF)对TA11合金高周疲劳(high cycle fatigue,HCF)强度的影响.考虑了LCF试验中循环最大应力、应力比和寿命比例等主要参数,根据步进法,利用旋转弯曲疲劳试验,研究了LCF预损伤对标准试件HCF强度的影响规律.结果表明:当循环最大应力为900MPa时,LCF载荷中靠前的循环产生的塑性应变大,因此加载较少的LCF预损伤也会降低该合金HCF强度;不同应力比的LCF预损伤都会降低HCF强度;当LCF预损伤的最大应力远小于材料的屈服强度时,LCF预损伤对HCF强度的影响较小,而当LCF预损伤的最大应力接近或大于材料的屈服强度时,则必须考虑LCF预损伤对TA11合金HCF强度的影响.      

粉末高温合金FGH95和FGH96的热机械疲劳性能

对粉末高温合金FGH95和FGH96进行了温度循环为350℃到600℃的同相位和反相位热机械疲劳试验.分析比较了两种合金的热机械疲劳滞后回线、循环应力响应行为和疲劳寿命.研究结果表明:FGH95合金和FGH96合金的热机械疲劳应力-应变滞后回线拉压对称,合金表现出高强度低塑性的特点;在相同总应变范围下,FGH96合金的...