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.     

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。     

多因素镍基单晶合金LCF寿命分析模型

镍基单晶合金力学性能和疲劳失效特性的取向相关性,使得低周疲劳因素的确定成为国内外学者亟待解决的问题。基于修正的晶体学理论和试验微观滑移现象,对DD3和PWA1480两种镍基单晶合金低周疲劳损伤因素进行理论分析,并与试验结果对比,发现同时考虑最大剪应力范围、最大剪应变范围、应力比和法向应变,可以解释镍基单晶材料的微观滑移损伤机理和解决疲劳失效取向相关性的问题,其低周疲劳寿命模型与实验数据的回归相关系数分别提高到0.947 6和0.967 4。     

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。     

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。     

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。     

不同应变比下GH3030合金的高温低周疲劳行为

对镍基高温合金GH3030在600℃进行了总应变控制的低周疲劳(LCF)试验,对不同应变比(-1和0.1)下的应力-应变滞后回线、循环应力响应、应变寿命关系及低周疲劳断口形貌进行了研究。结果表明:在高应变水平时,试验合金表现为明显的循环硬化现象,在低应变水平下,则表现先软化后硬化的现象;在不同的应变比下,应力-应变滞后回线的形状比较接近,同一应变水平下疲劳寿命差别不明显,疲劳断口裂纹扩展区均可见轮胎花样特征。     

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。     

N80Q钢的低周疲劳特性及寿命预测

在Instron 8862型疲劳试验机上对油井套管用N80Q钢进行完全对称循环载荷(平均应变为0)和非对称循环载荷(平均应变为0.5％和1.0％)下的低周疲劳试验,研究该钢的低周疲劳特性,并讨论了考虑不同因素的低周疲劳寿命模型的预测精度.结果表明:塑性应变能随应变幅的增大呈线性增长趋势,平均应变对塑性应变能几乎无影响;在对称载荷、不同应变幅(0.5％～2.0％)下以及非对称载荷、应变幅大于1.0％下,N80Q钢均无应力松弛行为,而在非对称载荷、应变幅小于1.0％时出现明显的应力松弛行为,且初始平均应力越大,应力松弛行为越明显;考虑最大应力、应力范围、应变范围以及平均应变影响的经验模型的预测精度较高,预测寿命主要分散在1.2倍分散带内.     

Evaluation method of multiaxial low cycle fatigue life for cubic single crystal material

The coupling effect of normal stress and shear stress on orthotropic materials happens when applied loading deflects from the directions of the principal axes of the material coordinate system. By taking account of the coupling effects, formulas of equivalent stress and strain for cubic single crystal materials are cited. Using the equivalent strain and equivalent stress for such material and a variable k, which is introduced to express the effect of asymmetrical cyclic loading on fatigue life, a low cycle fatigue (LCF) life prediction model for such material in multiaxial stress starts is proposed. On the basis of the yield criterion and constitutive model of cubic single crystal materials, a subroutine to calculate the thermo elastic-plastic stress-strain of the material on an ANSYS platform was developed. The cyclic stress-strain of DD3 notched specimens under asymmetrical loading at 680°C was analyzed. Low cycle fatigue test data of the single crystal nickel-based superalloy are used to fit the different parameters of the power law with multiple linear regression analysis. The equivalent stress and strain for a cubic single crystal material as failure parameters have the largest correlation coefficient. A power law exists between k and the failure cycle. The model was validated with LCF test data of CMSX-2 and DD3 single crystal nickel-based superalloys. All the test data fall into the factor of 2.5 for CMSX-2 hollow cylinder specimens and 2.0 scatter band for DD3 notched specimens, respectively.     

316L钢中温环境下应力控制的低周疲劳行为研究(二)

通过对316L钢在420℃环境下应力控制的低周疲劳实验，揭示和分析了316L钢在420℃环境下的弹性模量、全应变范围、塑性应变范围、塑性应变能及平均应变随加载历史和名义应力范围的变化特性，为以后的寿命评估模型提供依据。     

LCF behavior and life prediction method of a single crystal nickel-based superalloy at high temperature

Low cycle fatigue tests were conducted on the single crystal nickel-based superalloy, DD6, with different crystallographic orientations (i.e., [001], [011], and [111]) and strain dwell types (i.e., tensile, compressive, and balanced types) at a certain high temperature. Given the material anisotropy and mean stress, both orientation factor and stress range were introduced to the Smith, Watson, and Topper (SWT) stress model to predict the fatigue life. Experimental results indicated that the fatigue properties of DD6 depend on both crystallographic orientation and loading types. The fatigue life of the tensile, compressive, and balanced strain dwell tests are shorter than those of continuous cycling tests without strain dwell because of the important creep effect. The predicted results of the proposed modified SWT stress method agree well with the experimental data.     

镍基合金GH536材料高温低循环疲劳特性研究

对镍基合金 GH5 36材料在三种不同温度下的低循环疲劳特性进行了研究。给出了材料的应变 -寿命关系和应力应变关系。讨论了材料的疲劳特性随温度的变化。结果表明 ,在中等应变幅值之下 ,材料的疲劳寿命随温度的增加而降低     

对2024铝合金疲劳裂纹扩展寿命进行预测

通过二维弹塑性有限元计算得到Ⅰ型静态裂纹在常幅疲劳载荷下裂纹尖端塑性应变能,进而获得裂纹尖端塑性应变能和应力强度因子幅值的非线性关系;根据能量平衡概念,建立了裂纹扩展速率与裂纹尖端塑性应变能的关系。由此得到一种基于裂纹尖端塑性应变能的疲劳裂纹扩展寿命预测模型,利用该模型预测了中心裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命,预测结果与试验值吻合得很好。     

BGA结构无铅微焊点的低周疲劳行为研究

基于塑性应变能密度概念提出微焊点低周疲劳裂纹萌生、扩展和寿命预测模型,阐明其与连续介质损伤力学的联系,评估应力三轴度对预测模型的影响,并通过试验和数值计算相结合的方法确定出微米尺度球栅阵列(Ball grid array,BGA)结构单颗Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊点(高度为500～100 μm,焊盘直径为480 μm)疲劳裂纹萌生和扩展模型中的相关常数。研究结果表明,疲劳裂纹萌生和扩展循环数与每个循环所产生的塑性应变能密度均呈幂函数关系;应力三轴度会影响疲劳裂纹扩展速率,并最终影响焊点的疲劳寿命;应力三轴度与加载方式有关,拉伸载荷下焊点的应力应变行为受异种材料界面和封装结构力学约束作用的影响,应力三轴度随焊点高度降低而明显升高;而剪切载荷作用下焊点中的力学约束十分有限,焊点高度变化对应力三轴度的影响非常小;测得的高度为100 μm焊点的疲劳裂纹扩展相关常数可以很好地用于预测其他不同高度焊点的疲劳寿命,表明所提出的预测模型可以有效地减小由几何结构和体积变化造成的塑性应变能集中现象对焊点疲劳寿命的影响。     

高温低周疲劳寿命评价准则的探讨

通过对4种不同缺口形式的2.5Cr1Mo钢材料圆柱形试件的高温低周疲劳行为的研究，用当量应变范围准则，当量塑性应变能准则和当量总应变能准则评价多维应力状态下的高温低周疲劳寿命。可见：用当量准则评价高温评价高温低周疲劳寿命是有实验和理论依据的，但仍需做进一步分析探讨。     

Influence of temperature on a low-cycle fatigue behavior of a ferritic stainless steel

The main objective of this study is to reveal the effect of dynamic strain ageing (DSA) on a ferritic stainless steel with detail relation to monotonic and cyclic responses over a wide range of temperatures. For assessing the effect of strain rate on mechanical properties, tensile test results are studied at two different strain rates of 2×10^?3/s and 2×10^?4/s. Typical responses of this material are compared with other alloy in literatures that exhibits DSA. Serrations in monotonic stress-strain curves and anomalous dependence of tensile properties with temperatures are attributed to the DSA effect. The low cycle fatigue curves exhibit prominent hardening and negative temperature dependence of half-life plastic strain amplitude in temperatures between 300°C–500°C which can be explained by DSA phenomenon. The regime for dependence of marked cyclic hardening lies within the DSA regime of anomalous dependence of flow stress and dynamic strain hardening stress with temperature and negative strain rate sensitivity regime of monotonic response. It is believed that shortened fatigue life observed in the intermediate temperature is mainly due to the adverse effect of DSA. An empirical life prediction model is addressed for as-received material to consider the effect of temperature on fatigue life. The numbers of load reversals obtained from experiment and predicted from fatigue parameter are compared and found to be in good agreement.