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。      

镍基单晶高温合金DD6热机械疲劳试验

针对单晶气冷涡轮叶片的服役载荷特征,以镍基单晶高温合金DD6为对象,设计开展了薄壁圆管试样热机械疲劳(TMF)试验。结果表明:DD6变形响应呈现出明显的TMF棘轮效应,且与相位角、机械载荷水平等密切相关;在相同载荷条件下,同相(IP)TMF寿命总是明显短于反相(OP)。引入高温保载时间或增大机械载荷均会引起棘轮应变的明显增加,缩短结构寿命。结合断口和纵向切片分析,识别了不同载荷条件下影响单晶寿命的关键损伤因素,其中IP TMF主导损伤机理为蠕变和疲劳,而OP TMF主导损伤机理为氧化和疲劳。      

变载条件下镍基单晶合金蠕变本构建模方法

针对镍基单晶合金在变载条件下的蠕变计算问题,基于"等损伤"假设提出了一种用于变应力/温度条件下的硬化准则,并与耦合损伤的蠕变模型相结合.采用Arrhenius对数关系式对蠕变应变速率进行温度内插,使之能够用于给定温度范围的蠕变计算.将上述蠕变模型编写为ABAQUS/UMAT用户子程序,利用DD3,CMSX-4,DD6和...     

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。     

多晶镍基合金循环塑性细观本构关系

基于晶体塑性的本构理论,考虑金属材料晶体细观塑性变形流动的各向异性性质及晶体滑移的非线性运动硬化,以Voronoi多晶集合体作为材料的代表性体积单元(RVE),用晶体塑性模拟描述ZSGH4169多晶镍基合金材料的细观本构关系,对ZSGH4169多晶镍基合金进行了晶粒尺度的对称和非对称循环细观分析.通过对称循环数值模拟表明:该模型适合模拟金属材料循环试验中常见的应变硬化现象和Bauschinger效应;通过非对称循环数值模拟表明该模型具有对棘轮效应的描述能力,计算中发现背应力的演化对滑移切应变率有很大的影响,滑移切应变率的数值很大程度取决于背应力演化主导的非线性硬化过程.      

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.      

DZ408合金低周疲劳行为

研究了 DZ408合金在950℃,1000℃和1050℃,应变比为0．05条件下的低周疲劳性能。结果表明：平均应变为正时,非对称循环应变控制会产生平均应力松弛现象,且随着温度与应变幅的增大,平均应力松弛速率增大;在950℃,1000℃和1050℃时,材料具有 Massing 特性,采用修正的 SWT 模型能很好地预测不同温度下应变比为0．05的低周疲劳寿命,且给出了修正 SWT 模型参数随温度变化的关系式Δεt 2σmax ＝（－38．9＋0．101 T）N（0．96－0．0014T）。     

镍基单晶合金蠕变研究:试验、机理及材料模型

在镍基单晶合金高温蠕变建模研究工作的第一部分,通过对DD6镍基单晶合金不同中断时间的高温蠕变试验及透射电镜(TEM)观察,结合单晶合金蠕变机理的研究成果阐明了单晶高温蠕变的机理,并从Orowan方程出发,在晶体塑性理论框架下建立描述晶体滑移系上位错演化规律的方程,发展了以位错密度变化表征镍基单晶高温蠕变的材料模型.该模型考虑了较宽温度与载荷范围内单晶的主要蠕变机理,可较好地建模750～1100℃范围内镍基单晶的各向异性蠕变行为.      

镍基单晶蠕变研究：试验、机理及本构模型

本文为镍基单晶合金高温蠕变建模研究工作的第一部分,通过对DD6镍基单晶合金不同中断时间的高温蠕变试验及透射电镜（TEM）观察,结合单晶合金蠕变机理的研究成果阐明了单晶高温蠕变的机理,并从Orowan方程出发,在晶体塑性理论框架下建立描述晶体滑移系上位错演化规律的方程,发展了以位错密度变化表征镍基单晶高温蠕变的本构模型。该模型考虑了较宽温度与载荷范围内单晶的主要蠕变机理,可较好地建模750℃～1100℃范围内镍基单晶的各向异性蠕变行为。     

用于棘轮变形预测的棘轮演化统一模型研究

 在大量单轴棘轮实验基础上,研究了均值、幅值、峰值和谷值应力对 304不锈钢的饱和棘轮应变的影响规律,首次提出了棘轮应力σ_r和棘轮门槛值σ_rth 的概念,建立了基于单参数控制的、用于饱和棘轮应变预测的 SRM饱和棘轮本构模型和用于独立循环应力工况下棘轮应变演化预测的 REM棘轮演化模型,并由此发展了全面描述任意循环应力工况下棘轮应变演化规律的 URM棘轮演化统一模型。抛物律模型 SRM和幂律模型 REM对实验数据拟合的相关系数均超过 0.98。URM建模容易,只需 4～ 6个试样的单轴棘轮实验数据。此外还讨论了获得 SRM本构模型的单试样实验法。     

一种镍基单晶合金多轴低周疲劳损伤参量

用损伤应变能释放率作为热力学广义力描述正交各向异性材料的疲劳损伤过程,定义了含有3个弹性常数的镍基单晶应力三轴性因子,它不仅反映多轴载荷下的复杂应力状态,还显示正交各向异性材料偏轴受载时存在的正应力与剪应力的耦合效应,是对各向同性材料应力三轴性因子的拓展。用镍基单晶应力三轴性因子修正Mises应变范围作为疲劳损伤参量,引入损伤驱动力循环特征参数反映循环载荷的交变特性,提出了单晶合金低周疲劳损伤模型。利用DD3和CMSX-2单晶合金低周疲劳试验数据,采用多元线性回归分析方法拟合疲劳损伤模型参数,试验所得数据都落在2倍和2.5倍偏差分布带内。      

取向相关的单晶高温合金低周疲劳寿命评估方法

为研究单晶(SC)高温合金低周疲劳（LCF）性能各向异性规律,收集了SC7-14-6、DD3、PWA1480、Rene N4与DD6共5种单晶合金的低周疲劳试验数据,校验了文献中单晶合金不同晶体取向的弹性模量计算方法,利用不同取向的弹性模量对总应变幅进行修正,提出了一种简单的适用于单晶合金不同取向的低周疲劳损伤参量,进而形成了取向相关的单晶合金低周疲劳寿命评估方法,利用上述5种合金的试验数据对方法进行了验证。结果表明:弹性模量是单晶合金LCF性能各向异性的重要影响因素;文献中的不同晶体取向弹性模量换算方法较为可靠;所提低周疲劳寿命评估方法的预测结果大多在2倍分散带内。此方法形式简单、效果显著,较为适合工程应用。      

定向凝固DZ4合金的低周疲劳行为与稳定循环应力

对定向凝固DZ4合金760℃和800℃下的低周疲劳和稳定循环应力应变行为进行了研究,并结合断口观察试验结果,对其疲劳裂纹的萌生与扩展进行了分析。结果表明,DZ4合金760℃和800℃下的低周疲劳属应力疲劳,其损伤以弹性损伤为主,弹性损伤与疲劳寿命具有很好的相关性。加载频率对DZ4合金760℃和800℃下的稳定循环应力均具有一定的影响,尤其是800℃时,各应变下的稳定循环应力均随加载频率的升高而减小。定向凝固DZ4合金高寿命低周疲劳裂纹易于萌生于试样内部或亚表面的柱状晶界,其疲劳裂纹的稳定扩展也较难形成典型的疲劳条带。     

一种镍基单晶和定向结晶合金的疲劳寿命模型

针对镍基单晶和定向结晶合金的高温低循环疲劳/蠕变寿命预测问题,用晶向函数修正总应变范围以考虑疲劳寿命的各向异性,并综合考虑了最大应力、平均应力、应力范围以及峰值保持等载荷因素对寿命的贡献,在循环损伤累积思想的基础上发展了一种低循环疲劳/蠕变寿命预测方法.利用定向结晶合金DZ125、单晶合金DD3和DD6在不同温度、不同取样方向和不同保载形式作用下的试验结果,对方法进行了验证,预测与试验寿命相比基本落在2倍分散带内,表明该方法能更好地适应叶片材料各向异性与低循环疲劳/蠕变载荷的情况.      

高温低周疲劳-蠕变的改进型广义应变能损伤函数方法

通过对广义应变能损伤函数(GSEDF)法进行分析,用非弹性应变能表征低周疲劳(LCF)损伤,提出了一种高温低周疲劳-蠕变(LCF-C)寿命预测的改进型GSEDF模型,修正了GSEDF法中的能量参数,使其与工程实际更吻合.所提出的模型具有模型参数少、适用性广和试验数据利用率高等优点,且能综合反映加载方式、保载时间和平均应...     

棘轮和蠕变条件下材料的附加塑性变形行为研究

针对316L不锈钢进行大量单轴棘轮和蠕变试验研究,对材料在棘轮和蠕变作用下的塑性变形行为以及变形量进行比较和分析.分析发现,材料棘轮和蠕变变形行为之间存在一些相似规律,而且相同试验时间下蠕变变形高于棘轮变形.在持续应力作用下,材料的附加塑性变形与作用应力间体现出上凸的抛物线规律,附加塑性变形先随应力的增长而升高,达到峰值后又逐渐减小.最后,根据这种上凸的抛物线规律提出相应的本构描述方程.     

小孔对DD6单晶热机械疲劳的影响

通过开展同相（IP）和反相（OP）循环下DD6单晶带孔试样与光滑试样的机械应变控制热机械疲劳（TMF）试验,研究孔边应力集中与温度-应变相位角对裂纹萌生寿命的影响。结果表明:带孔试样裂纹萌生于孔边最大主应力位置,其寿命比相同名义载荷的光滑试样低约一个数量级;带孔试样的OP寿命均短于IP,这与光滑试样寿命趋势一致。结合基于滑移系的黏塑性数值模拟,获取不同试验条件下的单晶应力应变分布特征及其演化规律,并构建单晶TMF损伤与宏细观参量的关联。在此基础上,建立一种能够综合考虑应力集中与相位角影响的单晶TMF寿命模型,对光滑试样与带孔试样IP、OP TMF寿命预测结果基本落在试验寿命的2倍分散带内。      

A new method to predict fatigue crack growth rate of materials based on average cyclic plasticity strain damage accumulation

By introducing a fatigue blunting factor, the cyclic elasto-plastic Hutchinson-Rice-Rosengren (HRR) field near the crack tip under the cyclic loading is modified. And, an average damage per loading-cycle in the cyclic plastic deformation region is defined due to Manson-Coffin law. Then, according to the linear damage accumulation theory-Miner law, a new model for predicting the fatigue crack growth (FCG) of the opening mode crack based on the low cycle fatigue (LCF) damage is set up. The step length of crack propagation is assumed to be the size of cyclic plastic zone. It is clear that every parameter of the new model has clearly physical meaning which does not need any human debugging. Based on the LCF test data, the FCG predictions given by the new model are consistent with the FCG test results of Cr2Ni2MoV and X12CrMoWVNbN 10-1-1. What’s more, referring to the relative researches, the good predictability of the new model is also proved on six kinds of materials.     

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.      

TC4钛合金焊接接头疲劳损伤演变模型研究

对航空发动机焊接式整体叶盘结构,用损伤力学理论研究焊接接头低周疲劳损伤演化规律,以带内变量的热力学为基础,根据低周疲劳损伤特性及耦合的应变等价原理,建立了焊接低周疲劳损伤演变模型。用控制应变的疲劳试验,对航空发动机中常用的TC4钛合金焊接试件进行了疲劳损伤的测量,验证了损伤演变模型。模型中的参数具有明确的物理意义,且容易测量。研究结果对航空发动机焊接式整体叶盘寿命预测有参考价值。