晶體塑性理論及其在鎳基單晶和雙晶合金中的應用.pdf

1、定向結晶合金和鎳基單晶合金因其卓越的高溫性能被廣泛應用于先進發(fā)動機的熱端構件。然而，力學性能的各向異性制約了其發(fā)展和應用，因此，有必要改進或建立新的能反映晶體取向相關性的彈塑性和粘塑性本構模型和壽命模型以及相應的非線性有限元分析方法，這樣才能充分利用材料性能儲備，更安全地確定單晶葉片強度和壽命，從而推動我國發(fā)動機的發(fā)展。 本文給出了率相關晶體塑性滑移理論的基本方程及其有限元格式。進而采用晶體塑性理論對含與不含晶界空穴的雙晶體彈塑

2、性和蠕變力學行為進行了有限元分析，對不同溫度和裂紋取向的鎳基單晶緊湊拉伸試樣的斷裂特性進行了試驗研究和有限元模擬分析。主要的工作總結如下： 1．基于有限變形晶體塑性滑移理論，采用切線系數法，編制了率相關晶體塑性滑移本構模型的有限元子程序，并將植入到有限元軟件Abaqus的用戶子程序umat中。給出了面心立方晶體可能開動滑移系簇的詳細的滑移面和滑移方向。 2．采用三維彈塑性晶體滑移有限元程序對含與不含晶界空穴雙晶體的晶界和

3、空穴附近區(qū)域應力場進行了對比分析，考慮了平行和垂直于外載方向的兩種晶界狀況。晶界的存在顯著地改變了雙晶體應力場，在晶界附近產生了應力集中，對此兩晶粒的取向有較大的影響；垂直晶界更有利于晶體的滑移和微空穴的生長，滑移系開動后微空穴增長速率明顯加快。 3.基于晶體滑移理論，建立了各向異性鎳基合金雙晶體的蠕變本構模型和蠕變壽命預測模型，并對含與不含晶界空穴雙晶體蠕變行為進行了計算分析?？紤]了垂直、傾斜和平行于外載方向的三種位向晶界情況

4、。晶粒晶體取向和晶界位向對雙晶體微空穴和晶界附近區(qū)域的蠕變應力應變分布有較大的影響。微空穴的存在顯著地影響了雙晶體蠕變持久壽命；相同條件下，垂直晶界對雙晶體模型的蠕變損傷影響最為強烈，傾斜晶界次之，平行晶界最?。淮怪本Ы绺欣诰w滑移和微空穴生長。 4．采用試驗和理論相結合的方法對不同溫度和裂紋取向的鎳基單晶緊湊拉伸試樣進行了裂紋擴展和斷裂特性分析。結果表明，裂紋晶體取向和環(huán)境溫度對單晶體裂紋起裂和擴展以及斷裂特性有顯著的影響

5、。溫度較低時，裂紋尖端變形沿著特定的滑移面{111}方向，使得裂紋擴展方向與裂紋平面成一斜角，在(001)[100]裂紋取向下為45°或135°，(011)[100]裂紋取向下為53．7°或125．3°，(111)[O-11]裂紋取向下為90°。分切應力是裂紋擴展的主要控制因素，試驗結果與有限元模擬結果完全吻合。高溫時，單晶各向異性程度變小，三種取向試樣裂紋擴展均與加載軸垂直。隨著溫度的升高，斷裂形式逐步由剪切型的脆性斷裂轉化為微孔聚集

6、型的韌性斷裂。 5．鎳基單晶合金緊湊拉伸試樣具有明顯的蠕變和疲勞性能各向異性，蠕變壽命以裂紋取向(011)[100]、(111)[0-11]、(001)[100]的順序依次減小，蠕變試樣斷口存在大量韌窩，其斷裂機理為孔洞聚集。疲勞壽命以(111)[0-11]、(011)[100]、(001)[100]順序依次減小，疲勞裂紋啟裂于試樣切口表面，裂紋尖端的交變滑移導致裂紋擴展，最終的過載區(qū)顯示為解理斷裂。相對應蠕變條件裂紋擴展更敏感于疲勞損