晶體塑性理論及其在鎳基單晶和雙晶合金中的應(yīng)用.pdf

1、定向結(jié)晶合金和鎳基單晶合金因其卓越的高溫性能被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)發(fā)動機(jī)的熱端構(gòu)件。然而，力學(xué)性能的各向異性制約了其發(fā)展和應(yīng)用，因此，有必要改進(jìn)或建立新的能反映晶體取向相關(guān)性的彈塑性和粘塑性本構(gòu)模型和壽命模型以及相應(yīng)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(qiáng)度和壽命，從而推動我國發(fā)動機(jī)的發(fā)展。 本文給出了率相關(guān)晶體塑性滑移理論的基本方程及其有限元格式。進(jìn)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(xué)行為進(jìn)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(jìn)行了試驗研究和有限元模擬分析。主要的工作總結(jié)如下： 1．基于有限變形晶體塑性滑移理論，采用切線系數(shù)法，編制了率相關(guān)晶體塑性滑移本構(gòu)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(xì)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?qū)c不含晶界空穴雙晶體的晶界和

3、空穴附近區(qū)域應(yīng)力場進(jìn)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(yīng)力場，在晶界附近產(chǎn)生了應(yīng)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(gòu)模型和蠕變壽命預(yù)測模型，并對含與不含晶界空穴雙晶體蠕變行為進(jìn)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?qū)﹄p晶體微空穴和晶界附近區(qū)域的蠕變應(yīng)力應(yīng)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(qiáng)烈，傾斜晶界次之，平行晶界最小；垂直晶界更有利于晶體滑移和微空穴生長。 4．采用試驗和理論相結(jié)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(jìn)行了裂紋擴(kuò)展和斷裂特性分析。結(jié)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(kuò)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(kuò)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(yīng)力是裂紋擴(kuò)展的主要控制因素，試驗結(jié)果與有限元模擬結(jié)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(kuò)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(zhuǎn)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(jī)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(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，最終的過載區(qū)顯示為解理斷裂。相對應(yīng)蠕變條件裂紋擴(kuò)展更敏感于疲勞損