手机知网 App
24小时专家级知识服务
打 开
手机知网|搜索

晶体塑性理论及其在镍基单晶和双晶合金中的应用

温志勋

  定向结晶合金和镍基单晶合金因其卓越的高温性能被广泛应用于先进发动机的热端构件。然而,力学性能的各向异性制约了其发展和应用,因此,有必要改进或建立新的能反映晶体取向相关性的弹塑性和粘塑性本构模型和寿命模型以及相应的非线性有限元分析方法,这样才能充分利用材料性能储备,更安全地确定单晶叶片强度和寿命,从而推动我国发动机的发展。本文给出了率相关晶体塑性滑移理论的基本方程及其有限元格式。进而采用晶体塑性理论对含与不含晶界空穴的双晶体弹塑性和蠕变力学行为进行了有限元分析,对不同温度和裂纹取向的镍基单晶紧凑拉伸试样的断裂特性进行了试验研究和有限元模拟分析。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,并将植入到有限元软件Abaqus的用户子程序umat中。给出了面心立方晶体可能开动滑移系簇的详细的滑移面和滑移方向。2.采用三维弹塑性晶体滑移有限元程序对含与不含晶界空穴双晶体的晶界和空穴附近区域应力场进行了对比分析,考虑了平行和垂直于外载方向的两种晶界状况。晶界的存在显著地改变了双晶体应力场,在晶界附近产生了应力集中,对此两晶粒的取向有较大的影响;垂直晶界更有利于晶体的滑移和微空穴的生长,滑移系开动后微空穴增长速率明显加快。3.基于晶体滑移理论,建立了各向异性镍基合金双晶体的蠕变本构模型和蠕变寿命预测模型,并对含与不含晶界空穴双晶体蠕变行为进行了计算分析。考虑了垂直、倾斜和平行于外载方向的三种位向晶界情况。晶粒晶体取向和晶界位向对双晶体微空穴和晶界附近区域的蠕变应力应变分布有较大的影响。微空穴的存在显著地影响了双晶体蠕变持久寿命;相同条件下,垂直晶界对双晶体模型的蠕变损伤影响最为强烈,倾斜晶界次之,平行晶界最小;垂直晶界更有利于晶体滑移和微空穴生长。4.采用试验和理论相结合的方法对不同温度和裂纹取向的镍基单晶紧凑拉伸试样进行了裂纹扩展和断裂特性分析。结果表明,裂纹晶体取向和环境温度……