镍基单晶高温合金蠕变-疲劳寿命评估方法进展

论述镍基单晶合金的滑移变形机制和疲劳裂纹萌生机理，分别介绍镍基单晶合金蠕变寿命和低循环疲劳寿命分析评估模型；镍基单晶合金蠕变、疲劳寿命的研究方法可分为应用各向异性张量描述非弹性各向异性变形的宏观力学(唯象)模型和基于晶体学滑移变形理论的微观力学模型；晶体取向、平均应力、环境温度、循环频率、循环应力比是影响单晶合金蠕变-疲劳寿命的主要因素。复杂应力状态下的单晶合金多轴低循环疲劳损伤，单晶合金在疲劳-蠕变交互作用下的疲劳损伤和单晶合金的接触疲劳损伤等问题是需要研究的重要课题。     

基于单胞模型镍基单晶高温合金低周疲劳寿命的预测

基于镍基单晶高温合金的微观尺度结构特征,建立了γ/γ′双相单胞有限元模型,并基于能量耗散理论,引入统一表征非对称载荷循环特性和拉/扭多轴效应的k参量,以循环塑性应变能作为损伤参量,建立了镍基单晶高温合金低周疲劳寿命预测模型;分别利用宏观有限元模型和γ/γ′双相单胞微观有限元模型对[001]取向的DD3、PWA1480和CMSX-2镍基单晶高温合金的单轴、多轴低周疲劳试验过程进行数值模拟。结果表明:微观单胞有限元模型反映了试验合金的微观结构特性,其预测精度明显优于宏观有限元模型的;上述3种合金几乎所有的试验数据分别落在1.3,2.0和2.0倍偏差分布带内。     

非对称循环载荷下镍基单晶合金低周疲劳损伤研究

通过分析影响单晶叶片低周疲劳寿命的主要因素,对循环塑性应变能的计算方法进行了研讨,认为构成塑性应变能的主要因素应包括循环等效应力范围、全应变范围、晶向参数和平均应力等影响参量,它们与塑性应变能之间呈幂函数关系。利用试验数据对循环塑性应变能与镍基单晶合金低周疲劳寿命之间的相关性进行定量分析,结果表明：循环塑性应变能与镍基单晶合金低周疲劳寿命之间存在着比较密切的相关关系。     

一种镍基单晶合金高温低周疲劳寿命预测方法

提出一种考虑平均应力、应变比和晶体取向的镍基单晶合金低周疲劳寿命预测方法。首先建立镍基单晶合金在[001]和[111]晶体取向下的疲劳寿命预测模型,该模型考虑了平均应力和应变比对疲劳寿命的影响。然后,通过引入晶体取向函数建立不同晶体取向与[001]和[111]晶体取向下寿命预测模型中疲劳参数的关系,从而考虑镍基单晶合金晶体取向对疲劳寿命的影响。最后,提出通过[001]和[111]晶体取向下的模型来预测任意晶体取向下疲劳寿命的方法。提出的方法用DD3和PWA1840镍基单晶合金高温低周疲劳寿命试验数据进行验证,结果表明提出的方法是可接受的。     

DD3镍基单晶合金非对称循环载荷低周疲劳寿命预测

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，表明晶体取向对DD3单晶合金的应变疲劳寿命有显著影响，[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；引入参量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。     

面心立方晶体单晶材料多轴低周疲劳寿命的估算方法

用立方晶体单晶材料的等效应变和等效应力作为参量,考虑正交各向异性材料偏轴受载时存在正应力和切应力的耦合效应,引入k参量描述非对称循环载荷对疲劳寿命的影响,建立工程上实用的幂函数形式的面心立方晶体单晶材料多轴低周疲劳寿命预测模型.将立方晶体单晶材料屈服准则及其弹塑性本构模型集成到ANSYS软件中,对DD3单晶合金在680℃温度下的低周疲劳缺口试样进行非对称载荷循环应力应变分析.对不同的模型参量进行多元回归相关分析,发现用立方晶体单晶材料等效应变和等效应力作为模型参量拟合的回归曲线的相关系数最大,κ参量与循环次数之间呈幂函数关系.利用CMSX-2镍基单晶合金薄壁圆筒试样的拉一扭循环载荷低周疲劳试验数据和DD3镍基单晶合金缺口试样的低周疲劳试验数据对模型进行验证,试验所得数据分别落在2.5倍和2.0倍偏差分布带内.     

基于灰色理论镍基单晶合金多轴非比例加载低周疲劳研究

基于灰色理论研究DD3镍基单晶合金高温多轴非比例加载低周疲劳特性,对等效应变范围、温度、应变路径角、拉/扭载荷相位角和轴向应变比等影响疲劳寿命的因素进行灰色关联度分析,并引入损伤参量Q表征非对称循环特性和拉/扭多轴效应,以参量Q、等效应变范围Δεe和Mises等效应力范围Δσe构造疲劳损伤参量,建立低周疲劳寿命GM(1, N)预测模型。结果表明,各影响因素与多轴低周疲劳寿命的关联度等级依次为等效应变范围、温度和应变路径角为一级,拉/扭载荷相位角为二级,轴向应变比为三级;680 ℃和850 ℃温度下的GM(1, N)疲劳寿命模型的预测寿命与试验寿命的绝对关联度分别为0.97、0.86,平均相对误差分别为4.9%、6.0%;两种温度的试验数据几乎分别落在1.93、2.13倍偏差分布带内。     

DD3镍基单晶合金低周疲劳寿命研究

进行DD3单晶合金在680℃温度下[001]、[011]和[111]三种取向的非对称循环载荷低周疲劳试验研究。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；用取向函数修正应变幅度可以在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响；通过引入参量是表示非对称循环载荷产生的平均应力对疲劳寿命的影响，它与循环寿命之间呈幂函数关系。对应变幅度、取向函数和参量丘与光滑或缺口疲劳试样的循环寿命进行相关性分析，发现无论是处于单轴应力状态还是复杂应力状态，应用多元线性回归分析方法拟合DD3单晶合金低周疲劳寿命曲线，相关系数最大，效果最好。     

粉末冶金FGH96镍基高温合金的蠕变-疲劳交互行为

对国产粉末冶金FGH96镍基高温合金在650℃总应变控制下进行了无保载疲劳试验以及最大拉/压应变保载蠕变-疲劳试验,研究了其失效寿命及失效模式,并与铸造GH4169镍基高温合金的失效寿命进行了对比。结果表明:保载的引入降低了FGH96高温合金的失效寿命,与最大拉应变保载相比,最大压应变保载时产生的蠕变损伤更大,失效寿命更短;FGH96高温合金的疲劳失效寿命基本上高于GH4169高温合金的,但是较高应变幅下(大于1.4%)的蠕变-疲劳失效寿命低于GH4169高温合金的,在较低应变幅下(小于1.4%)则相反;FGH96高温合金的疲劳断口和蠕变-疲劳断口均呈现出表面或近表面多裂纹源失效特征。     

DD3镍基单晶高温合金喷丸强化后残余应力的有限元模拟

利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,通过设立局部坐标系和运用三参数Barlat模型建立了DD3镍基单晶高温合金的喷丸强化有限元模型,并对喷丸后的残余应力进行了有限元模拟和实际测试。结果表明:由于镍基单晶高温合金的各向异性,在不同取向上呈现不同的残余应力状态,且同一晶面不同取向的最小残余压应力出现在组成滑移系的晶向上;模拟结果与试验结果吻合较好。