本發明涉及航空材料
技術領域：
，具體涉及一種確定航空發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：
：鎳基單晶高溫合金由于其優異的高溫力學性能，已廣泛應用于航空發動機的高溫熱端部件。鎳基單晶高溫合金的微觀結構由兩部分構成：固溶強化的基體相γ相和LI2型晶體結構的強化相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)力學性能的方向性，單向拉伸/壓縮的力學性能、疲勞力學性能和蠕變力學性能等都和材料的加載方向密切相關。鎳基單晶高溫合金的屈服行為作為其最重要的力學行為之一，綜合反映了上述的力學反常特性。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模型。目前，以上兩種模型都不能實現單晶材料所有加載方向初始屈服強度的預測。事實上，鎳基單晶高溫合金的力學性能與其變形過程中激活的滑移系類型密切相關。資料研究表明，鎳基單晶高溫合金發生變形時內部滑移系的競爭關系與溫度和加載方向密切相關，低溫時，八面體滑移系占主導地位，高溫時，立方體滑移系占主導地位，中等溫度區時，八面體滑移系和立方體滑移同時存在；在中溫區內，加載方向接近[001]時，八面體滑移占主導地位，而當加載方向接近[-111]時，立方體滑移系占主導地位，當加載方向在[011]附近時，兩種滑移系同時作用。技術實現要素：發明目的：針對上述現有技術，提出一種鎳基單晶材料統一的拉壓不對稱微觀模型的建立方法，能夠預測中溫區鎳基單晶材料在所有加載方向下的初始屈服強度。技術方案：一種鎳基單晶材料統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沿[001]、[012]和[-111]方向單調拉伸的初始屈服強度，鎳基單晶材料沿[001]方向單調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拉伸或者單調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系，建立統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地位時的細觀拉壓不對稱模型：當八面體滑移系占主導地位時，八面體滑移系上分切應力表示為：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為當八面體滑移系占主導地位時與溫度相關的分切應力；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，T為試驗溫度；A0、A2、A3為材料常數；δ表示材料的受載狀態，拉伸狀態時，δ＝1，壓縮狀態時，δ＝-1；σoct為當八面體滑移系占主導地位時的初始屈服應力，其中，參數b1＝1/[Tn+A0exp(-H0/RT)]，參數b2＝(-b1A0A2/RT)exp(-H0/RT)，參數b3＝(-b1A0A3/RT)exp(-H0/RT)；當立方體滑移系占主導地位時，立方體滑移系上分切應力表示為：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'為當立方體滑移系占主導地位時與溫度相關的分切應力；H0為交滑移激活能；R為波爾茲曼常數，T為試驗溫度；A4、A5為材料常數；σcub為當立方體滑移系占主導地位時的初始屈服應力，其中，參數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部滑移系的競爭關系：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，當八面體滑移系占主導地位時，滑移控制因子SCF記為SCFoct：當立方體滑移系占主導地位時，滑移控制因子SCF記為SCFcub：上式中，D1、D2、D3、D4為與溫度相關材料常數；23)，建立統一的拉壓不對稱細觀模型：在滑移控制因子SCF建立的基礎上，鎳基單晶材料的初始屈服應力σ表示為：σ＝SCFoctσoct+SCFcubσcub式中，σoct表示當八面體滑移系占主導地位時的初始屈服應力，σcub表示當立方體滑移系占主導地位時的初始屈服應力；將不同滑移系占主導地位時的屈服應力代入上式，得統一拉壓非對稱細觀模型為：3)，通過軟件計算得到統一拉壓不對稱微觀模型的模型參數。進一步的，所建立的統一拉壓非對稱細觀模型模型參數的識別方法為：所述統一拉壓不對稱微觀模型的模型參數包括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地位時，SCFoct＝1，SCFcub＝0，并且S2(010)[001]＝0；根據統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單調拉伸和單調壓縮的初始屈服強度經Matlab非線性擬合獲得。有益效果：本發明的一種鎳基單晶材料統一的拉壓不對稱微觀模型的建立方法，本發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系，克服了已有屈服強度預測模型預測范圍小的缺點，可以準確地預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據，豐富了鎳基單晶材料的材料數據庫，對于進一步分析鎳基單晶材料的強度和疲勞提供了基礎。附圖說明圖1為本發明方法流程圖；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果和模擬結果；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果和模擬結果；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果和模擬結果。具體實施方式下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。如圖1所示，一種鎳基單晶材料統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的標準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的圓形標準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]方向單調拉伸的初始屈服強度，鎳基單晶材料沿[001]方向單調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拉伸或者單調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系，建立統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地位時的細觀拉壓不對稱模型：當八面體滑移系占主導地位時，八面體滑移系上分切應力表示為：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為當八面體滑移系占主導地位時與溫度相關的分切應力；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，T為試驗溫度；A0、A2、A3為材料常數，通過擬合得到；δ表示材料的受載狀態，拉伸狀態時，δ＝1，壓縮狀態時，δ＝-1；σoct為當八面體滑移系占主導地位時的初始屈服應力，其中，參數b1＝1/[Tn+A0exp(-H0/RT)]，參數b2＝(-b1A0A2/RT)exp(-H0/RT)，參數b3＝(-b1A0A3/RT)exp(-H0/RT)。當立方體滑移系占主導地位時，立方體滑移系上分切應力表示為：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'為當立方體滑移系占主導地位時與溫度相關的分切應力；H0為交滑移激活能；R為波爾茲曼常數，T為試驗溫度；A4、A5為材料常數；σcub為當立方體滑移系占主導地位時的初始屈服應力，其中，參數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部滑移系的競爭關系：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，當八面體滑移系占主導地位時，滑移控制因子SCF記為SCFoct：當立方體滑移系占主導地位時，滑移控制因子SCF記為SCFcub：上式中，D1、D2、D3、D4為與溫度相關材料常數，通過擬合得到。23)，建立統一的拉壓不對稱細觀模型：在滑移控制因子SCF建立的基礎上，鎳基單晶材料的初始屈服應力σ表示為：σ＝SCFoctσoct+SCFcubσcub式中，σoct表示當八面體滑移系占主導地位時的初始屈服應力，σcub表示當立方體滑移系占主導地位時的初始屈服應力；將不同滑移系占主導地位時的屈服應力代入上式，得統一拉壓非對稱細觀模型為：3)，通過軟件計算得到統一拉壓不對稱微觀模型的模型參數，模型參數包括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地位時，SCFoct＝1，SCFcub＝0，并且S2(010)[001]＝0；根據統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單調拉伸和單調壓縮的初始屈服強度經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一拉壓不對稱細觀模型的模型參數如表2所示。表2材料參數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拉伸和壓縮的初始屈服強度對模型進行驗證。將模型預測的初始屈服強度與試驗結果進行對比，見圖2至圖4，發現模擬結果和試驗結果吻合良好，驗證了模型的可靠性。本發明開發的鎳基單晶材料統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，所以本專利開發的新模型較LCP模型適用范圍更廣，預測精度更高。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。當前第1頁1 2 3