正交各向异性材料屈服准则研究

首先回顾了Hill屈服理论和Tsai—Wu屈服理论,然后用Hill屈服函数预测了某单晶材料[110]方向的屈服极限。通过与试验结果的比较发现,将Hill理论应用于这种材料的误差较大。根据单晶材料的特点,提出了一个工程上实用的正交各向异性材料的屈服函数,同时给出了该屈服函数的参数的确定方法,并将这个屈服函数推广到了定向结晶材料和单晶材料。用曲线图示出了该屈服函数所确定的定向结晶材料和单晶材料的屈服面,并与试验结果和Hill屈服函数的计算结果进行了比较。     

DD3单晶的Hill屈服准则应用研究

将Hill屈服准则用于DD3单晶不同温度不同取向的屈服应力预测,结果表明:Hill屈服准则中材料参数的选择对计算结果有很大的影响,且不能同时准确预测单晶三个主要承载方向的屈服强度。根据单晶材料的屈服特点,考虑到单晶材料在任意方向上剪应力及其相互作用对屈服强度的影响,通过在Hill屈服函数中加入一修正项建立了适用于单晶的新屈服函数,能对晶体取向为[001],[011]和[111]的屈服强度进行非常准确的预测,在其它方向上结果也比较满意。     

镍基单晶合金弹塑性本构模型

Hill模型用于面心立方单晶的弹塑性变形,在描述屈服特性的晶向相关性时精度不高。考虑正交各向异性材料在偏轴受载时存在拉、剪应力耦合效应的影响,通过增加一项由应力偏张量分量的二次项乘积构成的应力不变量,对Hill屈服模型进行修正,并根据单晶合金的屈服特点提出了新的单晶合金屈服准则。用该屈服准则对DD3单晶合金的屈服应力进行预测,760℃时能很好地符合试验结果;与Hill屈服准则比较,预测精度显著提高。在此基础上,重新定义了适合新屈服准则的等效应力,并由联合流动法则,以屈服函数作为塑性势函数,采用等向硬化模型,建立了单晶合金的弹塑性本构模型,推导出相应的弹塑性矩阵。对于各向同性材料,新屈服准及其等效应力则退化为VonMises屈服准则和其相应的等效应力。      

单晶叶片取向相关的统一屈服强度分析方法及应用

考虑非施密特效应提出了等效临界分解剪切应力来统一单晶(SC)合金不同取向的屈服强度.利用5种单晶合金的试验数据,建立了统一的等效屈服准则(EYC),对两种单晶合金非常规取向宏观屈服强度的预测精度在可接受范围内.将晶体学弹性本构模型与EYC编制为ABAQUS/UMAT用户子程序,计算了 DD6单晶叶片在873种取向条件下...     

一种低密度镍基单晶高温合金的组织与性能研究

研究了一种低密度镍基单晶合金的铸态及热处理态微观组织,测试了该合金的拉伸与持久性能,并与DD3合金进行比较.结果表明:合金一次枝晶间距为400μm左右,具有较高的γ/γ'共晶组织百分含量.热处理态合金的残余共晶和粗大初生γ'相百分含量控制在2%以下.合金在760℃拉伸试验时出现强度峰值,之后屈服强度随着温度升高而逐渐降低.合金具备较好的持久性能,其热强曲线与DD3合金相当,说明合金在具备密度和成本优势的同时保证了高温力学性能.     

DD100镍基单晶合金的高温断裂分析

通过对DD100单晶合金组织、断裂等方面的研究，探讨了影响单晶的断裂延性的因素。当DD100单晶合金中加入适量Hf元素后，单晶合金中无明显的疏松孔洞，γ／γ'共晶数量增加。发生瞬间断裂的不含Hf元素的试样中存在亚晶界、疏松孔洞以及γ／γ'共晶，但亚晶界的危害超过后两者。     

镍基单晶合金叶片疲劳寿命预测方法研究

研究了3种针对镍基单晶合金各向异性低循环疲劳寿命建模的方法,分别为基于单晶合金弹性模量与晶体取向相关性的方法,与各向异性屈服函数相关的方法和传统滑移系的方法。对基于屈服函数的方法进行了修正以将其应用于单晶合金。利用公开文献中DD3单晶合金的低循环疲劳数据对修正的模型进行了验证,并对采用这3种方法得到的数据进行了比较。结果表明:修正的疲劳寿命模型和基于取向函数的寿命模型的预测结果与试验数据相比基本落在3倍分散带内,而采用基于滑移系的方法所得结果在4倍分散带内。基于屈服函数的修正模型和另外2种模型均可以较好地与3维有限元应力分析直接衔接,便于涡轮叶片结构级的寿命预测。     

DD402单晶合金及其Ⅰ级单晶涡轮叶片的组织稳定性

对ＤＤ４０２（ＣＭＳＸ－２）单晶合金标准热处理状态组织及８５０℃下５００ｈ时效、１５００ｈ时效和３０００ｈ时效后的组织进行了显微组织观察和比较,测定了长期时效后的高温持久性能,并检查了拉断后试棒的显微组织。ＤＤ４０２单晶合金的应用对象是某涡轴发动机Ⅰ级涡轮叶片,解剖分析了经８００ｈ考核试车后的叶片组织。结果表明,在本文试验范围内,试样及叶片组织中均未发现ＴＣＰ相,γ′形态稳定,仅在一定时间的高温和足够高的应力综合作用下,γ′才发生筏形变化。     

镍基单晶合金初始细观结构及变形影响因素研究

通过对国内外大量镍基单晶合金的细观试验现象及结论进行分析,给出了单晶合金细观2相结构的主要变形特征,并研究得到影响单晶合金初始细观结构及其变形的3个因素分别为γ′初始尺寸、形状及γ/γ′初始错配度。结果表明：在高温、较高应力的条件下,γ′的初始尺寸为0.45 μｍ（γ′体积分数约为70％）,初始形状为立方块且不发生任何预筏化,初始错配度为负且绝对值较大时,合金的综合力学性能最佳     

高温长期时效对一种镍基单晶合金拉伸和持久性能的影响

研究了高温长期时效对一种镍基单晶合金在室温条件下瞬时拉伸强度和在950℃/240MPa条件下持久性能的影响。结果表明:1000℃短期时效100h,合金室温拉伸强度σb与屈服强度σ0.2与时效前相比没有明显变化,时效超过500h后σb和σ0.2开始显著下降,时效超过1000h后,σb和σ0.2随时效时间延长下降幅度减小;短期时效100h和500h样品在950℃/240MPa条件下的持久寿命大幅度降低,延伸率快速上升,时效时间超过1000h后,持久寿命的下降幅度减小,合金的持久寿命与延伸率均趋于稳定。长期时效后γ'相形貌改变及γ/γ'相界面高密度位错网的破坏是时效后合金室温及高温持久性能持续降低的主要原因。     

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。     

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.      

一种单晶镍基高温合金在不同温度下的静拉伸性能

研究了一种单晶镍基高温合金在不同温度下的静拉伸性能,初步建立了该合金不同温度下的弹性模量与任意取向之间的定量关系。在恒定温度下,该合金的弹性模量可由唯一的变量晶向参数定量描述。合金的屈服强度和抗拉强度依赖于晶体取向和温度,室温时[111]取向的屈服强度高于[001]取向,而在温度较高时,[111]的屈服强度最低。      

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。     

基于筏化的镍基单晶合金高温蠕变模型

采用应力法以及界面能法对不同取向的镍基单晶合金在950℃下的筏化类型进行了预测.上述两种方法的筏化预测结果一致,[001]取向为N型筏化,[011]取向为P型筏化,[111]取向不筏化.进一步,根据筏化预测结果以及晶体滑移理论,结合Kachanov-Robotnov（K-R）损伤演化公式,建立了一个镍基单晶合金蠕变模型,采用该模型并结合商用有限元软件Abaqus的用户材料子程序（UMAT）二次开发接口,对[001],[011]和[111]取向下的CMSX-4镍基单晶合金,在950℃,180~450MPa应力条件下的蠕变变形行为进行了模拟.该模型能够准确预测镍基单晶合金的筏化类型以及滑移系开动规律,更加符合材料的蠕变变形物理机制,因此模型可以对镍基单晶合金的高温蠕变曲线的第2,3阶段进行很好的模拟,并得到了试验的验证.      

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.      

d—电子理论在单晶高温合金发展中的应用

对ｄ－电子理论在单晶高温合金发展中的应用进行了阐述。介绍了ｄ－电子理论和用此理论设计单晶高温合金的方法和过程。采用此理论对现有单晶合金进行了分析和讨论。     

镍基单晶合金蠕变研究: 叶片蠕变的有限元分析

该文为镍基单晶合金高温蠕变建模研究工作的第三部分,利用前面研究已建立的蠕变材料模型及编写的ABAQUS软件UMAT子程序,选取了模型涡轮一级叶片叶身段,利用单晶DD3蠕变数据和实际叶片温度场,通过设定不同的晶体去向,分析了叶片主晶体去向偏差对叶片蠕变的影响,计算同时也给出了次向晶向偏差对分析的影响.整个分析,揭示了不同取向对叶片蠕变的影响:不同于材料的蠕变,叶片在通常控制的10°取向偏差内,蠕变分散也较大.