本發(fā)明涉及航空材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種確定航空發(fā)動機熱端部件材料初始屈服強度的細觀模型的建立方法。
背景技術(shù)：
：鎳基單晶高溫合金由于其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機的高溫?zé)岫瞬考?。鎳基單晶高溫合金的微觀結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成：固溶強化的基體相γ相和LI2型晶體結(jié)構(gòu)的強化相γ'相，由于γ'相的存在，這類合金都具有反常的力學(xué)特性：(1)屈服反常，在峰值溫度點以前，屈服強度隨溫度的升高而升高；(2)拉壓非對稱性，拉伸和壓縮條件下的屈服強度不一樣；(3)力學(xué)性能的方向性，單向拉伸/壓縮的力學(xué)性能、疲勞力學(xué)性能和蠕變力學(xué)性能等都和材料的加載方向密切相關(guān)。鎳基單晶高溫合金的屈服行為作為其最重要的力學(xué)行為之一，綜合反映了上述的力學(xué)反常特性。目前針對鎳基單晶高溫合金的初始屈服行為研究，主要有兩大類模型：宏觀唯像模型和基于滑移機理的晶體學(xué)模型。目前，以上兩種模型都不能實現(xiàn)單晶材料所有加載方向初始屈服強度的預(yù)測。事實上，鎳基單晶高溫合金的力學(xué)性能與其變形過程中激活的滑移系類型密切相關(guān)。資料研究表明，鎳基單晶高溫合金發(fā)生變形時內(nèi)部滑移系的競爭關(guān)系與溫度和加載方向密切相關(guān)，低溫時，八面體滑移系占主導(dǎo)地位，高溫時，立方體滑移系占主導(dǎo)地位，中等溫度區(qū)時，八面體滑移系和立方體滑移同時存在；在中溫區(qū)內(nèi)，加載方向接近[001]時，八面體滑移占主導(dǎo)地位，而當(dāng)加載方向接近[-111]時，立方體滑移系占主導(dǎo)地位，當(dāng)加載方向在[011]附近時，兩種滑移系同時作用。技術(shù)實現(xiàn)要素：發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種鎳基單晶材料統(tǒng)一的拉壓不對稱微觀模型的建立方法，能夠預(yù)測中溫區(qū)鎳基單晶材料在所有加載方向下的初始屈服強度。技術(shù)方案：一種鎳基單晶材料統(tǒng)一的拉壓不對稱微觀模型的建立方法，包括如下步驟：1)，獲取鎳基單晶材料中溫區(qū)沿[001]、[012]和[-111]方向單調(diào)拉伸的初始屈服強度，鎳基單晶材料沿[001]方向單調(diào)壓縮的初始屈服強度，以及鎳基單晶材料的其它四組任意不同方向單調(diào)拉伸或者單調(diào)壓縮的初始屈服強度；2)，基于LCP模型的拉壓不對稱理論，考慮不同加載方向下不同滑移系之間的競爭關(guān)系，建立統(tǒng)一的拉壓不對稱微觀模型，包括如下步驟：21)，建立不同滑移系占主導(dǎo)地位時的細觀拉壓不對稱模型：當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時，八面體滑移系上分切應(yīng)力表示為：S1σoct＝Tn+A0exp[(-H0+A2S2σoct+δA3S3σoct)/RT]式中，S1表示八面體滑移系上的Schmid因子，其滑移面的法向為(111)，滑移方向為，并記為Tn為當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時與溫度相關(guān)的分切應(yīng)力；H0為交滑移激活能；S2表示立方體滑移系上的Schmid因子，其滑移面的法向為(010)，滑移方向為并記為S3表示十二面體滑移系上的Schmid因子，其滑移面的法向為(111)，滑移方向為并記為R為波爾茲曼常數(shù)，T為試驗溫度；A0、A2、A3為材料常數(shù)；δ表示材料的受載狀態(tài)，拉伸狀態(tài)時，δ＝1，壓縮狀態(tài)時，δ＝-1；σoct為當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時的初始屈服應(yīng)力，其中，參數(shù)b1＝1/[Tn+A0exp(-H0/RT)]，參數(shù)b2＝(-b1A0A2/RT)exp(-H0/RT)，參數(shù)b3＝(-b1A0A3/RT)exp(-H0/RT)；當(dāng)立方體滑移系占主導(dǎo)地位時，立方體滑移系上分切應(yīng)力表示為：S2σcub＝Tn'+A4exp[(-H0+A5)/RT]式中，S2表示立方體滑移系上的Schmid因子，其滑移面的法向為(010)，滑移方向為并記為Tn'為當(dāng)立方體滑移系占主導(dǎo)地位時與溫度相關(guān)的分切應(yīng)力；H0為交滑移激活能；R為波爾茲曼常數(shù)，T為試驗溫度；A4、A5為材料常數(shù)；σcub為當(dāng)立方體滑移系占主導(dǎo)地位時的初始屈服應(yīng)力，其中，參數(shù)b4＝Tn'+A4exp[(-H0+A5)/RT]；22)，建立滑移控制因子：定義滑移控制因子SCF表征晶體變形過程中內(nèi)部滑移系的競爭關(guān)系：SCF＝f(T,N)其中，T表示試驗溫度；N表示立方體滑移系與八面體滑移系的Schmid因子之比，當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時，滑移控制因子SCF記為SCFoct：當(dāng)立方體滑移系占主導(dǎo)地位時，滑移控制因子SCF記為SCFcub：上式中，D1、D2、D3、D4為與溫度相關(guān)材料常數(shù)；23)，建立統(tǒng)一的拉壓不對稱細觀模型：在滑移控制因子SCF建立的基礎(chǔ)上，鎳基單晶材料的初始屈服應(yīng)力σ表示為：σ＝SCFoctσoct+SCFcubσcub式中，σoct表示當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時的初始屈服應(yīng)力，σcub表示當(dāng)立方體滑移系占主導(dǎo)地位時的初始屈服應(yīng)力；將不同滑移系占主導(dǎo)地位時的屈服應(yīng)力代入上式，得統(tǒng)一拉壓非對稱細觀模型為：3)，通過軟件計算得到統(tǒng)一拉壓不對稱微觀模型的模型參數(shù)。進一步的，所建立的統(tǒng)一拉壓非對稱細觀模型模型參數(shù)的識別方法為：所述統(tǒng)一拉壓不對稱微觀模型的模型參數(shù)包括D1、D2、D3、D4、b1、b2、b3、b4，確定方法為：(1)b1，b3的確定：由步驟1)中[001]方向的單向拉伸和壓縮試驗得到，八面體滑移系占主導(dǎo)地位時，SCFoct＝1，SCFcub＝0，并且S2(010)[001]＝0；根據(jù)統(tǒng)一拉壓非對稱細觀模型得到：其中，σt[001]和σc[001]分別表示[001]方向的單向拉伸和壓縮的初始屈服強度，S1(111)[001]和S3(111)[001]分別表示[001]方向八面體滑移系和十二面體滑移系的Schmid因子，解得(2)b2，b4的確定：b2，b4分別由[012]方向和[-111]方向的單向拉伸試驗確定；其中，和σt[012]分別表示[-111]和[012]方向的拉伸初始屈服強度，S1(111)[012]、S2(010)[012]、S3(111)[012]分別表示對應(yīng)滑移系和加載方向上的Schmid因子，且S3(111)[012]＝0，解得，(3)D1、D2、D3、D4的確定：D1、D2、D3、D4由八面體滑移系和立方體滑移系共同作用區(qū)單調(diào)拉伸和單調(diào)壓縮的初始屈服強度經(jīng)Matlab非線性擬合獲得。有益效果：本發(fā)明的一種鎳基單晶材料統(tǒng)一的拉壓不對稱微觀模型的建立方法，本發(fā)明建立的模型考慮了晶體變形過程中八面體滑移系和立方體滑移系之間的競爭關(guān)系，克服了已有屈服強度預(yù)測模型預(yù)測范圍小的缺點，可以準(zhǔn)確地預(yù)測鎳基單晶材料在不同加載方向不同溫度下的初始屈服強度，真實反映鎳基單晶材料的拉壓不對稱性。為已有的各種材料模型提供初始的材料數(shù)據(jù)，豐富了鎳基單晶材料的材料數(shù)據(jù)庫，對于進一步分析鎳基單晶材料的強度和疲勞提供了基礎(chǔ)。附圖說明圖1為本發(fā)明方法流程圖；圖2為PWA1480單晶材料593℃下沿不同方向拉伸的初始屈服強度試驗結(jié)果和模擬結(jié)果；圖3為PWA1480單晶材料593℃下沿不同方向壓縮的初始屈服強度試驗結(jié)果和模擬結(jié)果；圖4為RENEN4單晶材料760℃下沿不同方向拉伸和壓縮的初始屈服強度試驗結(jié)果和模擬結(jié)果。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。如圖1所示，一種鎳基單晶材料統(tǒng)一的拉壓不對稱微觀模型的建立方法，包括如下步驟：1)，從PWA1480單晶材料母材以及RENEN4單晶材料母材上分別取材，沿不同方向切割加工出φ5mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進行高溫靜力拉伸試驗，沿不同方向切割加工出φ13mm的圓形標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣進行高溫靜力壓縮試驗。試驗條件見表1，獲取PWA1480材料在593℃下以及RENEN4材料在760℃下，沿[001]、[012]和[-111]方向單調(diào)拉伸的初始屈服強度，鎳基單晶材料沿[001]方向單調(diào)壓縮的初始屈服強度，以及鎳基單晶材料的其它四組任意不同方向單調(diào)拉伸或者單調(diào)壓縮的初始屈服強度。表12)，基于LCP模型的拉壓不對稱理論，考慮不同加載方向下不同滑移系之間的競爭關(guān)系，建立統(tǒng)一的拉壓不對稱微觀模型，包括如下步驟：21)，建立不同滑移系占主導(dǎo)地位時的細觀拉壓不對稱模型：當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時，八面體滑移系上分切應(yīng)力表示為：S1σoct＝Tn+A0exp[(-H0+A2S2σoct+δA3S3σoct)/RT]式中，S1表示八面體滑移系上的Schmid因子，其滑移面的法向為(111)，滑移方向為，并記為Tn為當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時與溫度相關(guān)的分切應(yīng)力；H0為交滑移激活能；S2表示立方體滑移系上的Schmid因子，其滑移面的法向為(010)，滑移方向為并記為S3表示十二面體滑移系上的Schmid因子，其滑移面的法向為(111)，滑移方向為并記為R為波爾茲曼常數(shù)，T為試驗溫度；A0、A2、A3為材料常數(shù)，通過擬合得到；δ表示材料的受載狀態(tài)，拉伸狀態(tài)時，δ＝1，壓縮狀態(tài)時，δ＝-1；σoct為當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時的初始屈服應(yīng)力，其中，參數(shù)b1＝1/[Tn+A0exp(-H0/RT)]，參數(shù)b2＝(-b1A0A2/RT)exp(-H0/RT)，參數(shù)b3＝(-b1A0A3/RT)exp(-H0/RT)。當(dāng)立方體滑移系占主導(dǎo)地位時，立方體滑移系上分切應(yīng)力表示為：S2σcub＝Tn'+A4exp[(-H0+A5)/RT]式中，S2表示立方體滑移系上的Schmid因子，其滑移面的法向為(010)，滑移方向為并記為Tn'為當(dāng)立方體滑移系占主導(dǎo)地位時與溫度相關(guān)的分切應(yīng)力；H0為交滑移激活能；R為波爾茲曼常數(shù)，T為試驗溫度；A4、A5為材料常數(shù)；σcub為當(dāng)立方體滑移系占主導(dǎo)地位時的初始屈服應(yīng)力，其中，參數(shù)b4＝Tn'+A4exp[(-H0+A5)/RT]。22)，建立滑移控制因子：定義滑移控制因子SCF表征晶體變形過程中內(nèi)部滑移系的競爭關(guān)系：SCF＝f(T,N)其中，T表示試驗溫度；N表示立方體滑移系與八面體滑移系的Schmid因子之比，當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時，滑移控制因子SCF記為SCFoct：當(dāng)立方體滑移系占主導(dǎo)地位時，滑移控制因子SCF記為SCFcub：上式中，D1、D2、D3、D4為與溫度相關(guān)材料常數(shù)，通過擬合得到。23)，建立統(tǒng)一的拉壓不對稱細觀模型：在滑移控制因子SCF建立的基礎(chǔ)上，鎳基單晶材料的初始屈服應(yīng)力σ表示為：σ＝SCFoctσoct+SCFcubσcub式中，σoct表示當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時的初始屈服應(yīng)力，σcub表示當(dāng)立方體滑移系占主導(dǎo)地位時的初始屈服應(yīng)力；將不同滑移系占主導(dǎo)地位時的屈服應(yīng)力代入上式，得統(tǒng)一拉壓非對稱細觀模型為：3)，通過軟件計算得到統(tǒng)一拉壓不對稱微觀模型的模型參數(shù)，模型參數(shù)包括D1、D2、D3、D4、b1、b2、b3、b4，確定方法為：(1)b1，b3的確定：由步驟1)中[001]方向的單向拉伸和壓縮試驗得到，八面體滑移系占主導(dǎo)地位時，SCFoct＝1，SCFcub＝0，并且S2(010)[001]＝0；根據(jù)統(tǒng)一拉壓非對稱細觀模型得到：其中，σt[001]和σc[001]分別表示[001]方向的單向拉伸和壓縮的初始屈服強度，S1(111)[001]和S3(111)[001]分別表示[001]方向八面體滑移系和十二面體滑移系的Schmid因子，解得(2)b2，b4的確定：b2，b4分別由[012]方向和[-111]方向的單向拉伸試驗確定；其中，和σt[012]分別表示[-111]和[012]方向的拉伸初始屈服強度，S1(111)[012]、S2(010)[012]、S3(111)[012]分別表示對應(yīng)滑移系和加載方向上的Schmid因子，且S3(111)[012]＝0，解得，(3)D1、D2、D3、D4的確定：D1、D2、D3、D4由八面體滑移系和立方體滑移系共同作用區(qū)單調(diào)拉伸和單調(diào)壓縮的初始屈服強度經(jīng)Matlab非線性擬合獲得。本實施例中，利用此法求得的鎳基單晶材料統(tǒng)一拉壓不對稱細觀模型的模型參數(shù)如表2所示。表2材料參數(shù)b1b2b3b4D1D2D3D4PWA1480(593℃)2.12e-31.64e-4-3.4e-42.355e-3120.915101.125RENEN4(760℃)2.78e-33.86e-4-3.74e-42.56e-3151.0219.81.02本實施例對PWA1480和RENEN4分別建立統(tǒng)一的拉壓不對稱細觀模型，用PWA1480和RENEN4在不同加載方向下單調(diào)拉伸和壓縮的初始屈服強度對模型進行驗證。將模型預(yù)測的初始屈服強度與試驗結(jié)果進行對比，見圖2至圖4，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和試驗結(jié)果吻合良好，驗證了模型的可靠性。本發(fā)明開發(fā)的鎳基單晶材料統(tǒng)一拉壓不對稱細觀模型在已有LCP模型拉壓不對稱的理論基礎(chǔ)上，考慮了不同加載方向下材料變形過程中不同滑移系之間的競爭關(guān)系，提出滑移控制因子的概念并給出其具體形式，真實反映鎳基單晶材料變形過程的細觀機理，所以本專利開發(fā)的新模型較LCP模型適用范圍更廣，預(yù)測精度更高。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3