镍基单晶合金应力弱化损伤与低周疲劳研究

摘要

镍基单晶高温合金具有良好的高温抗疲劳和蠕变性能，是制造航空涡轮发动机叶片的重要材料。航空发动机涡轮叶片工作在高温、高压和高转速的环境中，受到疲劳载荷作用，疲劳断裂是引起叶片失效的主要原因之一，同时由于离心力的作用，叶片将承受非对称循环载荷下的应力弱化损伤。因此研究镍基单晶高温合金在非对称循环载荷下的低周疲劳循环特性和应力松弛行为，建立工程实用的疲劳寿命预测模型，对航空发动机叶片的疲劳强度设计具有理论指导意义和应用价值。　　首先，本文基于DD3镍基单晶高温合金单轴拉/压和多轴拉/扭非对称循环加载低周疲劳试验，对试验获得数据进行分析处理，绘制并分析不同晶体取向、不同温度、不同加载路径下的应力-循环次数曲线和轴向/切向应力应变曲线，研究材料在不同载荷相位角、应变加载路径和温度下的循环硬化、软化特性，发现在高温非对称循环载荷下会出现比较明显的应力松弛行为，从而发生应力弱化损伤，对疲劳寿命产生影响。　　其次，采用参数化程序设计语言APDL编写命令流，对光滑圆柱试样进行单轴拉/压和薄壁圆筒进行拉/扭数值模拟，获得应力应变响应曲线，与试验结果进行对比分析。基于镍基单晶高温合金的微观结构特征，建立了γ/γ’双相微观多胞元力学模型，避免了单胞元模型进行多轴非对称循环位移加载数值模拟时边界应力出现的畸变效应，验证多胞模型的合理性，并运用该模型对材料的应力松弛行为进行数值模拟，分析材料的破坏机理，表明基体相最先发生破坏。　　通过深入研究单晶合金应力松弛行为，创新性提出了表征镍基单晶合金应力弱化损伤的参量F，通过相关性分析得出它与疲劳寿命之间呈指数函数关系。基于能量耗散理论，由Mises等效应变范围、单晶合金应力三轴性因子和晶体取向函数构造循环塑性应变能作为损伤参量，建立了疲劳寿命预测模型。利用单、多轴低周疲劳试验数据对模型进行多元线性回归分析，表明模型与试验寿命之间具有较高的相关性，所有的试验数据都落在2.0倍偏差分布带之内。分别采用宏观模型和微观单、多胞模型对疲劳寿命进行预测，表明微观胞元模型的精度最高。　　最后，对全文的主要工作和结论进行总结，并对今后工作提出展望。

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第一章 绪论

1.1前言

1.2镍基单晶高温合金低周疲劳循环特性与应力松弛行为研究综述

1.3 本课题研究目的、内容和意义

第二章 镍基单晶高温低周疲劳循环特性研究

2.1 镍基单晶高温单轴低周疲劳试验