本發(fā)明涉及鎳基高溫合金振動(dòng)疲勞研究，尤其涉及一種鎳基單晶高溫合金的板形振動(dòng)疲勞應(yīng)力斷口定量分析模型的建立方法和模型的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、疲勞斷口定量分析技術(shù)是利用斷裂后構(gòu)件形成的疲勞斷口特征反向分析推算構(gòu)件經(jīng)歷過的應(yīng)力大小、壽命的分析方法，該分析技術(shù)在鋼、al等多晶材料中有較為成功的應(yīng)用，為工程實(shí)踐中失效分析和故障排查工作提供了強(qiáng)力支持。

2、ni基單晶高溫合金采用定向凝固工藝消除了晶界，減少了降低熔點(diǎn)的晶界強(qiáng)化元素，提高了合金的初熔溫度，其高溫強(qiáng)度比等軸晶和定向柱晶大幅度提高；現(xiàn)已廣泛用于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪熱端部件的制造。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪熱端部件在工作環(huán)境中，不可避免的承受振動(dòng)載荷，因發(fā)生共振而產(chǎn)生疲勞斷裂的情況時(shí)有發(fā)生。

3、鎳基單晶高溫合金與常規(guī)鋼、鋁材不同，具有其特有的開裂特征。研究表明，在980℃及以下，ni基單晶高溫合金的疲勞裂紋主要開動(dòng)八面體滑移系，主要滑移面（斷裂面）為(111)面，與載荷施加方向[001]成一定夾角，呈ⅰ、ⅱ、ⅲ型復(fù)合裂紋，因此，該種復(fù)合裂紋采用普通的ⅰ型裂紋形狀因子表達(dá)式不再適用。

4、鑒于ni基單晶高溫合金特殊的板形振動(dòng)疲勞開裂特點(diǎn)，選擇能夠表征單晶合金振動(dòng)疲勞開裂特點(diǎn)的斷口定量分析方法具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種鎳基單晶高溫合金的板形振動(dòng)疲勞應(yīng)力斷口定量分析模型的建立方法，該模型的建立方法所建立的模型可分析鎳基單晶高溫合金振動(dòng)疲勞應(yīng)力的斷口信息。

2、有鑒于此，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N鎳基單晶高溫合金的板形振動(dòng)疲勞應(yīng)力斷口定量分析模型的建立方法，包括以下步驟：

3、以裂紋尖端塑性區(qū)尺寸作為鎳基單晶高溫合金振動(dòng)疲勞斷口的定量信息與振動(dòng)疲勞應(yīng)力建立模型；

4、根據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的分布區(qū)域，將所述裂紋尖端區(qū)分為裂紋尖端萌生區(qū)和裂紋尖端擴(kuò)展區(qū)；

5、建立鎳基單晶高溫合金的振動(dòng)疲勞應(yīng)力和裂紋尖端萌生區(qū)尺寸的分析模型一；

6、建立鎳基單晶高溫合金的振動(dòng)疲勞應(yīng)力和裂紋尖端擴(kuò)展區(qū)尺寸的分析模型二；

7、?（模型一）；

8、?（模型二）；

9、其中，模型一中，為振動(dòng)疲勞應(yīng)力，rp為裂紋尖端萌生區(qū)尺寸，y復(fù)合為ⅰ型、ⅱ型、ⅲ型復(fù)合斜裂紋的形狀因子，a為裂紋長度，為屈服強(qiáng)度；

10、模型二中，為振動(dòng)疲勞應(yīng)力，rp為裂紋尖端萌生區(qū)尺寸，y復(fù)合為ⅰ型、ⅱ型、ⅲ型復(fù)合斜裂紋的形狀因子，a為裂紋長度，為屈服強(qiáng)度，為泊松比。

11、優(yōu)選的，所述形狀因子y復(fù)合=0.74×y??；其中，yⅰ為ⅰ裂紋形狀因子。

12、優(yōu)選的，所述ⅰ裂紋形狀因子與鎳基單晶高溫合金的工作段裂紋與1/4橢圓角裂紋、受彎曲和拉伸形狀因子相關(guān)，計(jì)算式如下所示：

13、?；

14、其中，f的表達(dá)式中a為1/4橢圓角裂紋半短軸，b為1/4橢圓角裂紋半長軸，w為板寬，t為厚度，θ為主裂紋與半長軸的夾角，采用實(shí)測(cè)值；

15、f為裂紋修正因子，為振動(dòng)疲勞應(yīng)力，a為裂紋長度；

16、a、b、w單位統(tǒng)一為mm；

17、為第二類完全橢圓積分，采用下式表達(dá)：

18、?；

19、對(duì)，，范圍內(nèi)，則和h可用基于有限元結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算；

20、；

21、；

22、上式中的參數(shù)，采用下述計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算：

23、；

24、；

25、；

26、；

27、；

28、；

29、；

30、；

31、；

32、；

33、。

34、優(yōu)選的，所述鎳基單晶高溫合金為一代鎳基單晶高溫合金或二代鎳基單晶高溫合金。

35、本申請(qǐng)還提供了所述的建立方法所建立的模型在鎳基單晶高溫合金板形振動(dòng)疲勞應(yīng)力斷口定量分析中的應(yīng)用。

36、優(yōu)選的，所述振動(dòng)疲勞應(yīng)力斷口定量分析具體為：

37、根據(jù)分析模型一和/或所述分析模型二得到振動(dòng)疲勞應(yīng)力的斷口信息。

38、優(yōu)選的，所述斷口信息為鎳基高溫合金振動(dòng)疲勞斷口的裂紋萌生和/或裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力。

39、優(yōu)選的，所述鎳基單晶高溫合金為一代鎳基單晶高溫合金或二代鎳基單晶高溫合金。

40、本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N鎳基單晶高溫合金的板形振動(dòng)疲勞應(yīng)力斷口定量分析模型的建立方法，其以裂紋尖端塑性區(qū)尺寸作為鎳基單晶高溫合金振動(dòng)疲勞斷口的定量信息，與振動(dòng)疲勞應(yīng)力建立模型，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的分布區(qū)域，將所述裂紋發(fā)展過程分為裂紋萌生區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)，然后建立鎳基單晶高溫合金的振動(dòng)疲勞應(yīng)力和裂紋尖端萌生區(qū)尺寸的分析模型一，建立鎳基單晶高溫合金的板形振動(dòng)疲勞應(yīng)力和裂紋尖端擴(kuò)展區(qū)尺寸的分析模型二。在上述模型建立方法中，本申請(qǐng)以裂紋尖端塑性區(qū)尺寸與振動(dòng)疲勞應(yīng)力建立模型，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的分布區(qū)域的不同，分別建立了模型一和模型二，利用模型一和模型二，在裂紋尺寸等尺寸已知的情況下，則可以準(zhǔn)確分析振動(dòng)疲勞應(yīng)力斷口的相關(guān)信息。

技術(shù)特征：

1.一種鎳基單晶高溫合金的板形振動(dòng)疲勞應(yīng)力斷口定量分析模型的建立方法，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建立方法，其特征在于，所述形狀因子y復(fù)合=0.74×yⅰ；其中，yⅰ為ⅰ裂紋形狀因子。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的建立方法，其特征在于，所述ⅰ裂紋形狀因子與鎳基單晶高溫合金的工作段裂紋與1/4橢圓角裂紋、受彎曲和拉伸形狀因子相關(guān)，計(jì)算式如下所示：

4.根據(jù)權(quán)利要求1~3所述的建立方法，其特征在于，所述鎳基單晶高溫合金為一代鎳基單晶高溫合金或二代鎳基單晶高溫合金。

5.權(quán)利要求1~3任一項(xiàng)所述的建立方法所建立的模型在鎳基單晶高溫合金板形振動(dòng)疲勞應(yīng)力斷口定量分析中的應(yīng)用。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于，所述振動(dòng)疲勞應(yīng)力斷口定量分析具體為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于，所述斷口信息為鎳基高溫合金振動(dòng)疲勞斷口的裂紋萌生和/或裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于，所述鎳基單晶高溫合金為一代鎳基單晶高溫合金或二代鎳基單晶高溫合金。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種鎳基單晶高溫合金的板形振動(dòng)疲勞應(yīng)力斷口定量分析模型的建立方法，包括以下步驟：以裂紋尖端塑性區(qū)尺寸作為鎳基單晶高溫合金振動(dòng)疲勞斷口的定量信息，與振動(dòng)疲勞應(yīng)力建立模型；根據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)的分布區(qū)域，將所述裂紋尖端區(qū)分為裂紋尖端萌生區(qū)和裂紋尖端擴(kuò)展區(qū)；建立鎳基單晶高溫合金的振動(dòng)疲勞應(yīng)力和裂紋尖端萌生區(qū)尺寸的分析模型一；建立鎳基單晶高溫合金的振動(dòng)疲勞應(yīng)力和裂紋尖端擴(kuò)展區(qū)尺寸的分析模型二。本申請(qǐng)?zhí)峁┑纳鲜瞿Ｐ徒⒎椒?，依?jù)鎳基單晶高溫合金振動(dòng)疲勞裂紋的特殊性，建立了模型，利用該模型可實(shí)現(xiàn)疲勞應(yīng)力斷口信息的分析。

技術(shù)研發(fā)人員：李振,劉新靈,陳星,張金剛,劉佳賓,劉昌奎
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國航發(fā)北京航空材料研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6