ZSGH4169合金细观力学行为的数值模拟

基于晶体塑性本构理论,利用多晶代表性单元从细观尺度研究了ZSGH4169合金在650℃条件下考虑双轴应力状态的循环应力应变行为.计算结果表明:该合金在双轴拉伸应力控制下存在与低周疲劳试验常用的单轴应力状态一致的棘轮效应.对两种应力状态下的结果进行对比发现,在1150MPa应力单轴循环载荷下初始循环残余应变比双轴应力状态高出3倍,且双轴应力状态下最终循环稳定,残余应变约为1.2%,但在单轴应力状态下是不稳定的.对应力和塑性应变累积不均匀性的分析表明:单轴和双轴拉伸状态下,虽然应力和应变分布的不均匀性都随着循环数的增加而增加,但单轴拉伸状态下平均应力随循环数增加,而双轴拉伸状态下几乎为常数.      

对B-P本构模拟材料率相关塑性变形和循环硬化的改进

对Bodner-Partom统一黏塑性本构理论（B—P模型）进行了修正，改善了其对材料加载速率相关的黏塑性和循环硬化的模拟精度。改进模型包含两个各向同性硬化内变量：一个用于描述小非弹性应变范围内快速的各向同性硬化。另一个以缓慢的演化速率来表述大的累积非弹性变形，如循环硬化过程中非弹性应变累积。利用ABAQUS的用户材料子程序将改进模型编成有限元计算代码，通过对镍基合金Udimet 720Li率相关黏塑性特征的本构模拟对其进行了验证，并与B-P模型作了对比。结果表明改进模型能够以更高精度、更加灵活地对材料的非弹性力学行为进行建模。     

一种考虑平均应力松弛的多级硬化本构模型

在无屈服条件的粘塑性本构理论框架内, 提出了关于内变量和内应力以及材料具有不同硬化趋势的假设, 并在Bodner-Partom模型的基础上, 发展了新的内变量演化模型, 即双级硬化模型(Two StagesHardening, TSH模型)和多级硬化模型(Multi-Stages Hardening, MSH模型), 提高了Bodner-Partom模型对同时模拟应变率相关单调拉伸和循环特性的精度, 特别是增强了对Ratcheting的模拟能力, 使得无屈服条件的本构方程以较高精度模拟Ratcheting成为可能.并将TSH模型和MSH模型用于Udimet720Li材料高温非弹性变形特征的描述, TSH模型改善了B-P模型在模拟单调拉伸和循环硬化方面的精度, 但MSH模型在描述非对称循环载荷下平均应力松弛和Ratcheting应变方面具有更强的能力.      

用于单晶叶片应力分析的滑移本构模型

为了建立适用于镍基单晶涡轮叶片的有限元分析平台,基于有限变形晶体滑移理论和有限元软件AN-SYS接口参数要求,导出了增量型本构方程公式。采用变刚度法,以切线系数法为初值,采用局部牛顿拉弗森迭代解法,编制了晶体弹塑性滑移本构模型程序,并以子程序Usermat的形式植入ANSYS软件。计算模拟了DD3试棒不同取向的单向拉伸和循环应力应变过程,讨论了〈011〉方向上的应变软化行为和该本构模型对DD3镍基单晶涡轮叶片的良好应用性。数值仿真结果与实验数据对比吻合良好,验证了程序的正确性。     

描述1Cr18Ni9Ti不锈钢单轴棘轮行为的黏塑性本构模型

在室温下对1Cr18Ni9Ti不锈钢进行了单轴棘轮实验研究,提出了一种新的分离型黏塑性本构模型。引入了能记忆最大塑性应变的记忆面,在记忆面内和面上采用不同形式的塑性应变流动律和背应力演化律,将单调拉伸和循环行为分别独立描述。将模型应用于1Cr18Ni9Ti不锈钢单轴棘轮行为的描述中,模拟结果和实验结果吻合较好。     

平均应变效应的循环粘塑性描述

提出了一个考虑具有平均应变循环变形行为的粘塑性本构模型,在该模型中,引入了可以计及平均应变效应的应变幅值记忆参数,构造了相应的背应力演化方程,定义了恰当的非比例度;还提出了对先前加载历史循环变形行为衰减记忆的各向同性变形阻力演化方程。模型用于１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢的平均应变效应的本构描述,结果表明模型合理。     

GH4169高温合金高应变率本构关系试验研究

 基于高应变率下GH4169高温合金的本构关系是采用有限元法对GH4169高温合金进行切削加工数值分析研究的基础。本文针对GH4169高温合金,通过试验对其在温度为室温至1 000 ℃、应变率为2 000～10 000 s^-1的范围内的本构关系进行了研究。研究发现高应变率下GH4169高温合金的流动应力与塑性应变关系接近线性关系,同时温度影响着高应变率下应变率对本构关系的影响程度及方式。根据GH4169合金流动应力曲线的特点,对Johnson-Cook本构模型进行修正。基于试验结果,通过数据拟合确定了对应高应变率GH4169高温合金的材料常数,建立了描述GH4169高温合金高应变率下的本构模型,为切削加工有限元数值分析提供了理论基础,并为相关类似研究提供了思路。     

镍基单晶蠕变研究：基于晶体塑性的蠕变模型

在镍基单晶合金高温蠕变建模工作的第二部分,通过提出的蠕变材料模型,在晶体塑性理论的变形梯度与滑移系剪切应变率关系的基础上结合不同温度下不同滑移系上的蠕变机理,最终建立起滑移系上行为与材料结构变形的联系。材料本构方程的积分采用了四阶Runge-utta法,并通过对DD3和 CMSX-4两种材料在不同温度,晶体取向和应力水平下的试验曲线进行计算模拟,说明了模型及算法的可行性及对较宽的温度、应力和晶体取向下蠕变行为模拟的能力。     

镍基单晶合金蠕变研究:基于晶体塑性的蠕变建模

在镍基单晶合金高温蠕变建模工作的第二部分,通过提出的蠕变材料模型,在晶体塑性理论的变形梯度与滑移系剪切应变率关系的基础上,结合不同温度下不同滑移系上的蠕变机理,最终建立起滑移系上行为与材料结构变形的联系.材料本构方程的积分采用了四阶Runge-Kutta法,并通过对DD3和CMSX-4两种材料在不同温度,晶体取向和应力水平下的试验曲线进行计算模拟,说明了模型及算法的可行性及对较宽的温度、应力和晶体取向下蠕变行为模拟的能力.      

GH4169合金蠕变疲劳行为的有限元模拟及寿命预测

考虑蠕变-疲劳损伤,对部件材料进行合理的循环变形描述和准确的寿命预测,是保证航空发动机等高温设备长周期安全运行需要解决的关键问题之一。基于大型有限元软件ABAQUS,采用组合Chaboche随动强化准则和Voce各向同性硬化准则的循环弹塑性本构模型,叠加应变强化的蠕变本构模型,对GH4169合金在蠕变-疲劳载荷下伴有应力松弛的循环变形行为进行了准确的有限元模拟。同时,将Wang等最新修正的基于逐周次概念的蠕变-疲劳损伤模型进行了有限元移植,结合有限元模拟所得的循环应力、应变状态,实现了对GH4169合金蠕变-疲劳寿命的准确预测。研究结果将为进一步实现对航空发动机关键部件精确的寿命预测提供理论基础和技术手段。     

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。     

AZ31B挤压变形镁合金低周疲劳行为研究

分别研究了挤压变形AZ31B镁合金在非对称载荷与对称载荷下的疲劳行为,结果表明两种加载方式下,疲劳过程随着应变幅的增加,滞回曲线的不对称性均增强;在低应变幅下,位错滑移为主要塑性变形机制;而在较高应变幅下,孪生-去孪生为主要变形机制;同一应变幅下,压-压非对称低应变幅疲劳寿命最长,拉-压对称低应变幅疲劳寿命次之,拉-拉非对称低应变幅疲劳寿命最短.     

基于临界平面的镍基单晶高温合金疲劳寿命预测模型

根据循环损伤累积的思想,发展了一种基于临界平面的镍基单晶高温合金疲劳寿命预测模型.以非弹性应变能密度最大的滑移面作为镍基单晶高温合金承受最大损伤的临界平面,并结合基于滑移系的黏塑性变形分析结果,建立了疲劳寿命与最大滑移系分解剪应力、最大滑移剪应变率、滑移剪应变范围、应变比以及拉伸/压缩保载频率等临界平面参数的函数关系.采用760℃下DD6单晶的疲劳试验结果对上述预测模型进行验证,试验与计算结果符合良好,基本在2倍分散带内.      

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。      

Stress-controlled LCF experiments and ratcheting behaviour simulation of a nickel-based single crystal superalloy with [001] orientation

Uniaxial ratcheting behaviour and low cycle fatigue (LCF) failure mechanism of nickel-based single crystal superalloy DD6 with [001] orientation are investigated through the stress-controlled LCF tests with stress ratio of −1. Then the deformation behaviour during the whole-lifetime from the beginning of the experiment to the fracture of the specimen, as well as the fractographic/metallographic morphology, are compared with the strain-controlled LCF experimental results. Through the scanning electron microscope (SEM) observations, it is shown that the failure characteristics under stress-controlled LCF loading are similar with those under strain-controlled loading. Nevertheless, unlike strain-controlled LCF loading, even under fully reversed cycle loading for stress-controlled LCF, DD6 shows significant ratcheting behaviour due to the tension-compression asymmetry. In addition, the LCF lifetimes under stress control are significantly shorter than the LCF lifetimes under strain control, and the culprit might be the detrimental effect of ratcheting strain on LCF lifetime. Based on these phenomena, an improved crystal plasticity constitutive model on the basis of slip-based Walker constitutive model is developed through modifying the kinematic hardening rule in order to overcome the inaccurate prediction of decelerating stage and stable stage of ratcheting behaviour. Furthermore, combining the continuum damage mechanics, a damage-coupled crystal plasticity constitutive model is proposed to reflect the damage behaviour of DD6 and the accelerating stage of ratcheting behaviour. The simulation results for the stress-controlled LCF deformation behaviour including the whole-lifetime ratcheting behaviour show good agreement with the experimental data.     

一种基于微观组织演化的率形式本构模型

为建立塑性变形中微观组织演化与宏观响应的关系,依据定义的率扩散势导出了考虑温度影响的率形式流动应力方程,修正了Chaboche非线性各向同性硬化准则以考虑位错密度演化对硬化的贡献,以位错密度为内变量建立了位错密度演化模型,提出了一种基于微观组织演化机理的率形式本构模型。以927℃钛合金Ti-6Al-4V热单拉实验数据为基础,通过遗传算法确定了模型材料常数。将计算结果与实验数据进行比较,最大应力误差在12%以内,最大晶粒尺寸误差在4%以内,证明了模型的有效性。