基于有限變形晶體滑移理論的單晶力學(xué)行為及應(yīng)用研究.pdf

1、該論文旨在從力學(xué)與材料科學(xué)相結(jié)合角度針對單晶材料各向異性特點,采用宏觀與細(xì)觀研究相結(jié)合、理論分析、計算模型、實驗考核與驗證相結(jié)合的方法,開展各向異性單晶葉片強(qiáng)度分析和壽命預(yù)測方面的研究工作.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,根據(jù)晶體塑性理論的特點,給出了在局部坐標(biāo)系和整體坐標(biāo)系下更新應(yīng)力的方法和具體步驟.鑒于目前商用有限元軟件包無此本構(gòu)模型,此有限元子程

2、序作為用戶子程序(UMAT)補(bǔ)充到ABAQUS軟件包中.采用滑移系的取向因子,詳細(xì)分析了三類滑移系族不同取向取向滑移系分切應(yīng)力、應(yīng)變和宏觀應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系.2.推導(dǎo)了DD3鎳基單晶高溫合金靜彈性模量與取向關(guān)系的表達(dá)式.對DD3瞬時拉伸性能進(jìn)行了較為完整的實驗工作.在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上討論了鎳基單晶靜彈性模量、屈服極限、強(qiáng)度極限、延伸率和斷面收縮率的取向、溫度相關(guān)性以及加載速率對屈服極限和強(qiáng)度極限的影響,并對斷口形貌進(jìn)行了觀察,討論了滑

3、移系啟動的情況.采用宏、細(xì)觀相結(jié)合的方法,探討了鎳基單晶高溫合金的拉/壓不對稱性現(xiàn)象及其細(xì)觀機(jī)理.給出了峰值溫度以下,分析鎳基單晶高溫合金屈服特性的具體方法、LCP模型的適用范圍以及八面體和六面體在瞬時拉伸下的滑移規(guī)律.3.在有限變形晶體滑移理論的基礎(chǔ)上給出了鎳基單晶高溫合金蠕變本構(gòu)模型,對鎳基單晶高溫合金蠕變持久壽命的取向相關(guān)性進(jìn)行了分析,得到了縱向、橫向取向相關(guān)性的規(guī)律.基于連續(xù)介質(zhì)的方法,推導(dǎo)了蠕變過程中晶軸轉(zhuǎn)動的具體表達(dá)式,并彩

4、晶軸轉(zhuǎn)動的概念,對蠕變?nèi)∠蛳嚓P(guān)性進(jìn)行了解釋.基于鎳基單晶高溫材料損傷演化微觀機(jī)理,采用單參數(shù)和雙參數(shù)方法,建議了兩種蠕變壽命預(yù)測模型.為便于工程應(yīng)用,在實驗的基礎(chǔ)上,給出了指數(shù)形式的蠕變壽命預(yù)測模型.4.采用光滑圓棒和缺口試樣對DD3鎳基單晶高溫合金的低周疲勞性能進(jìn)行了研究,在實驗和有限元計算結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的低周疲勞壽命模型.在CMSC-4鎳基單晶高溫合金實驗的基礎(chǔ)上建議了一種考慮機(jī)械疲勞、蠕變和熱疲勞交互作用的統(tǒng)一壽

5、命模型.對所有實驗的斷口進(jìn)行了SEM分析,討論了鎳基單晶高溫合金疲勞、蠕變破壞的細(xì)觀機(jī)理.5.設(shè)計了三種三點彎曲試件,對單晶體以及晶界平行晶粒裂紋和晶界垂直晶粒裂紋的雙晶體的斷裂韌性、疲勞性能進(jìn)行了實驗研究,考察了單晶體和雙晶體的斷裂韌性值以及疲勞裂紋擴(kuò)展速率,并采用自行編制的有限變形率相關(guān)晶體滑移有限元程序,分析了雙晶體和三晶體晶界附近的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)構(gòu).6.根據(jù)XX發(fā)動機(jī)載荷譜,計算了XX發(fā)動機(jī)單晶渦輪葉片在實際飛行載荷譜作用下的應(yīng)力