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基于有限变形晶体滑移理论的单晶力学行为及应用研究

万建松

  发展和应用镍基单晶高温合金的主要目的是提高军、民发动机的性能、寿命及可靠性。在发达国家,镍基单晶高温合金因其卓越的高温性能被广泛应用于航空发动机及地面燃气轮机的关键部件—涡轮转子叶片;在国内,某些发动机上亦开始使用单晶涡轮转子叶片。目前尚无能直接替代镍基单晶高温合金用于航空发动机涡轮转子叶片的更好材料。但单晶材料力学性能的各向异性制约了其发展和应用,对其工程应用、材料潜能的发挥以及应用的理论基础提出了挑战。本论文旨在从力学与材料科学相结合角度针对单晶材料各向异性特点,采用宏观与细观研究相结合、理论分析、计算模型、实验考核与验证相结合的方法,开展各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的研究工作。主要的工作总结如下:1.基于有限变形晶体塑性滑移理论,采用切线系数法,编制了率相关晶体塑性滑移本构模型的有限元子程序,根据晶体塑性理论的特点,给出了在局部坐标系和整体坐标系下更新应力的方法和具体步骤。鉴于目前商用有限元软件包无此本构模型,此有限元子程序作为用户子程序(UMAT)补充到ABAQUS软件包中。采用滑移系的取向因子,详细分析了三类滑移系族不同取向取向滑移系分切应力、应变和宏观应力、应变之间的关系。2.推导了DD3镍基单晶高温合金静弹性模量与取向关系的表达式。对DD3瞬时拉伸性能进行了较为完整的实验工作。在实验数据的基础上讨论了镍基单晶静弹性模量、屈服极限、强度极限、延伸率和断面收缩率的取向、温度相关性以及加载速率对屈服极限和强度极限的影响,并对断口形貌进行了观察,讨论了滑移系启动的情况。采用宏、细观相结合的方法,探讨了镍基单晶高温合金的拉/压不对称性现象及其细观机理。给出了峰值温度以下,分析镍基单晶高温合金屈服特性的具体方法、LCP模型的适用范围以及八面体和六面体在瞬时拉伸下的滑移规律。3.在有限变形晶体滑移理论的基础上给出了镍基单晶高温合金蠕变本构模型,对镍基单晶高温合金蠕变持久寿命的取向相关性进行了分析,得到了纵向、横向取向相关性的规律。基于连续介质的方法,推导了蠕变过程中晶轴转动的具体表达式,并采用晶轴转动的概念,对蠕变取向相关性进行了解释。基于镍基单晶高温材料损伤演化微观机理,采用单参数和双参数方法,建议了两种蠕变寿命预测模型。为便于工程应用。在实验的基础上,给出了指数形式的蠕变寿命预测模型。4.采用光滑圆棒和缺口试样对DD3镍基单晶高温合金的的低周疲劳性能进行了研究,在实验和有限元计算结果的基础上提出了复杂应力状态下的低周疲劳寿命模型。在CMSX-4镍基单晶高温合金实验的基础上建议了一种考虑机械疲劳、蠕变和热疲劳交互作用的统一寿命模型。对所有实验的断口进行了SEM分析,讨论了镍基单晶高温合金疲劳、蠕变破坏的细观机理。5.设计了三种三点弯曲试件,对单晶体以及晶界平行晶粒裂纹和晶界垂直晶粒裂纹的双晶体的断裂韧性、疲劳性能进行了实验研究,考察了单晶体和双晶体的断裂韧性值以及疲劳裂纹扩展速率,并采用自行编制的有限变形率相关晶体滑移有限元程序,分析了双晶体和三晶体晶界附近的应力、应变结构。6.根据XX发动机载荷谱,计算了XX发动机单晶涡轮叶片在实际飞行载荷谱作用下的应力结构以及相应的疲劳—蠕变寿命。……