本發(fā)明涉及航空材料領(lǐng)域，具體涉及Ni3Al基合金考慮位錯演化的物理本構(gòu)模型的建立方法。
背景技術(shù)：
：Ni3Al基合金由于其出色的高溫力學(xué)性能被廣泛的用于航空發(fā)動機上的高溫結(jié)構(gòu)件。與傳統(tǒng)材料相比，Ni3Al基高溫合金具有熔點高、高溫強度高、密度低、比剛度高以及抗氧化性能好等特性。大量資料研究表明，Ni3Al基合金具有很多反常的宏觀力學(xué)特性：應(yīng)變率敏感特性、屈服應(yīng)力和應(yīng)變硬化率在一定溫度范圍內(nèi)隨著溫度的升高而增加、不滿足Schmid法則等。為了解釋這些宏觀力學(xué)特性，不少學(xué)者針對這種的材料微觀變形機理開展了相應(yīng)研究，針對本文研究的中溫區(qū)(300K-923K)，機理研究成果總結(jié)如下：(1)變形過程中，刃型位錯和螺型位錯都會對材料的塑性流動產(chǎn)生影響(2)變形過程中，只有12個八面體滑移系被激活，并且不同滑移系之間的位錯會相互影響(3)Ni3Al基合金變形過程中，存在特殊的位錯結(jié)構(gòu):KW鎖和幾何位錯(GNDs)，同時還存在特殊的位錯運動形式：位錯的攀爬和交滑移。目前，為了能夠預(yù)測Ni3Al基合金的力學(xué)性能，不同的學(xué)者提出了很多的模型，但是這些模型中，大多數(shù)都是宏觀模型。在少數(shù)的微觀模型中，也沒有學(xué)者去具體考慮了不同位錯形式的影響以及不同滑移系之間的相互影響，大多數(shù)微觀模型都是采取平均化處理手段，這樣的方法無法直接反映材料的微觀變形機理。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Ni3Al基合金考慮位錯演化的物理本構(gòu)模型建立方法，能夠準確預(yù)測Ni3Al基合金在中溫區(qū)的單向拉伸力學(xué)性能。技術(shù)方案：一種Ni3Al基合金考慮位錯演化的物理本構(gòu)模型建立方法，包括如下步驟：步驟一、對Ni3Al基合金IC10在300K和973K下沿晶粒生長方向開展單調(diào)拉伸試驗，分別獲取其在300K和973K兩個溫度下的單調(diào)拉伸力學(xué)性能，根據(jù)初始屈服強度確定材料參數(shù)c3和c4；步驟二、對IC10合金在300K和973K下開展應(yīng)變率跳躍試驗，獲取其熱激活體積，確定模型中的材料參數(shù)c1和c2；步驟三、運用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡獲取IC10合金的微觀結(jié)構(gòu)觀測圖，運用圖形測量工具測得973K下變形過程中晶體內(nèi)部不同應(yīng)變下的位錯密度，確定模型中的參數(shù)θf、和這三個參數(shù)共同決定了IC10變形過程中的位錯密度演變規(guī)律；步驟四、基于晶體位錯運動理論，結(jié)合IC10合金的微觀觀測結(jié)果，建立其考慮位錯演化的物理本構(gòu)模型，包括如下步驟：(4-1)根據(jù)晶體塑型理論，應(yīng)力率由如下公式表示：式中，是以初始構(gòu)形為基礎(chǔ)的柯西應(yīng)力張量的Jaumann導(dǎo)數(shù)，D為變形率張量，N為變形過程中開啟滑移系的總數(shù)目，此處默認只有八面體滑移系開啟，N＝12，EMT表示瞬時彈性模量，Pα和Bα分別定義如下：Bα＝Wασ+σWα式中，σ是柯西應(yīng)力張量，m*α和n*α分別表示變形后晶體滑移系的滑移方向和滑移法向；(4-2)本構(gòu)模型中流動法則的建立：任一滑移系上的剪切變形率由下式表示：式中，b是Burgers矢量，ρme和ρms分別表示變形過程中晶體內(nèi)部刃型位錯密度和螺型位錯密度；和分別表示刃型位錯和螺型位錯的運動速度，α表示當前滑移系統(tǒng)；λα是位錯的跳躍寬度，與晶體內(nèi)部的林位錯密度相關(guān)，c1為材料常數(shù)；Qslip是熱激活能，Vα是激活體積，Vα＝c2b2λα，c2是材料常數(shù)；KB是波爾茲曼常數(shù)，θ是溫度，v0是嘗試頻率；τα、和分別表示滑移系α上的分切應(yīng)力、刃型可動位錯的切割力和螺型可動位錯的切割力；其中，τα和的具體表達式見硬化法則部分；(4-3)本構(gòu)模型中硬化法則的建立τα＝σα:P(α)式中，c3-c7為材料常數(shù)；μ是材料的剪切剛度；是材料變形過程內(nèi)部的平行位錯密度；fp,s是平行位錯密度中刃型特點位錯的占比；ρα、和分別表示材料變形過程中總的位錯密度、刃型位錯密度和螺型位錯密度；feα是總位錯密度中刃型位錯密度的占比，和是feα的初始值和漸進值，θf是表征feα變化的系數(shù)；d1是Ni3Al基合金強化項的尺寸；klock和kunlock是材料變形過程中KW鎖的解鎖系數(shù)和加鎖系數(shù)，Hl和Hu是分別與之對應(yīng)的熱力學(xué)過程的焓值，L0是位錯發(fā)生加鎖過程的激活長度，Ls兩段位錯發(fā)生解鎖過程的臨界距離。有益效果：本發(fā)明直接考慮了材料變形過程中每個滑移系內(nèi)刃型位錯和螺型位錯的演化形式，并且從微觀層次上直接給出了不同滑移系之間不同位錯的潛在硬化方程，真實反應(yīng)了Ni3Al基合金變形過程中內(nèi)部位錯的運動與演化。本發(fā)明的物理本構(gòu)模型預(yù)測效果較好，可以準確地預(yù)測Ni3Al基合金中溫區(qū)不同溫度下的單向拉伸力學(xué)性能，為材料進一步的強度和疲勞研究提供準確的彈性材料參數(shù)，對材料進一步的工程設(shè)計具有重要意義。附圖說明圖1為本發(fā)明實現(xiàn)流程圖；圖2為Ni3Al基合金IC10在300K和973K下沿[001]方向單向拉伸的試驗結(jié)果和預(yù)測結(jié)果圖。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Ni3Al基合金考慮位錯演化的物理本構(gòu)模型建立方法，包括如下步驟：1)，對Ni3Al基合金IC10在300K和973K下沿晶粒生長方向開展單調(diào)拉伸試驗，從IC10單晶合金母料上取材，沿晶粒生長方向加工成φ5mm的標準拉伸試樣在以上兩個溫度下進行靜力單調(diào)拉伸試驗，分別獲取其在這兩個溫度下的單調(diào)拉伸力學(xué)性能，根據(jù)初始屈服強度確定材料參數(shù)c3和c4；2)，對IC10合金在300K和973K下開展應(yīng)變率跳躍試驗，從IC10單晶合金母料上取材，沿晶粒生長方向加工成φ5mm的標準拉伸試樣進行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果獲取其熱激活體積，確定模型中的材料參數(shù)c1和c2。試驗條件見表1。表1試驗條件IC10單晶拉伸試驗IC10單晶應(yīng)變率跳躍試驗試樣尺寸φ5mmφ5mm應(yīng)變速率10-4/s10-4/s+10-3/s加載方向[001][001]溫度300K，973K300K，973K應(yīng)變范圍拉伸直至試樣斷裂拉伸直至試樣斷裂試驗設(shè)備SDS-50電液伺服動靜試驗機SDS-50電液伺服動靜試驗機3)，運用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡獲取IC10合金的微觀結(jié)構(gòu)觀測圖，運用圖形測量工具測得973K下變形過程中晶體內(nèi)部不同應(yīng)變下的位錯密度，確定模型中的參數(shù)θf、和這三個參數(shù)共同決定了IC10變形過程中的位錯密度演變規(guī)律；4)，基于晶體位錯運動理論，結(jié)合IC10合金的微觀觀測結(jié)果，建立其考慮位錯演化的物理本構(gòu)模型，包括如下步驟：4-1)，根據(jù)晶體塑型理論，應(yīng)力率可由如下公式表示：式中，是以初始構(gòu)形為基礎(chǔ)的柯西應(yīng)力張量的Jaumann導(dǎo)數(shù)，D為變形率張量，N為變形過程中開啟滑移系的總數(shù)目，此處默認只有八面體滑移系開啟，N＝12，EMT表示瞬時彈性模量，Pα和Bα分別定義如下：Bα＝Wασ+σWα式中，σ是柯西應(yīng)力張量，m*α和n*α分別表示變形后晶體滑移系的滑移方向和滑移法向；4-2)，本構(gòu)模型中流動法則的建立：任一滑移系上的剪切變形率可由下式表示：式中，b是Burgers矢量，ρme和ρms分別表示變形過程中晶體內(nèi)部刃型位錯密度和螺型位錯密度；和分別表示刃型位錯和螺型位錯的運動速度，α表示當前滑移系統(tǒng)；λα是位錯的跳躍寬度，與晶體內(nèi)部的林位錯密度相關(guān)，c1為材料常數(shù)；Qslip是熱激活能，Vα是激活體積，Vα＝c2b2λα，c2是材料常數(shù)；KB是波爾茲曼常數(shù)，θ是溫度，v0是嘗試頻率；τα、和分別表示滑移系α上的分切應(yīng)力、刃型可動位錯的切割力和螺型可動位錯的切割力。其中，τα和的具體表達式見硬化法則部分；4-3)，本構(gòu)模型中硬化法則的建立τα＝σα:P(α)式中，c3-c7為材料常數(shù)；μ是材料的剪切剛度；是材料變形過程內(nèi)部的平行位錯密度；fp,s是平行位錯密度中刃型特點位錯的占比；ρα、和分別表示材料變形過程中總的位錯密度、刃型位錯密度和螺型位錯密度；feα是總位錯密度中刃型位錯密度的占比，和是feα的初始值和漸進值，θf是表征feα變化的系數(shù)；d1是Ni3Al基合金強化項的尺寸；klock和kunlock是材料變形過程中KW鎖的解鎖系數(shù)和加鎖系數(shù)，Hl和Hu是分別與之對應(yīng)的熱力學(xué)過程的焓值，L0是位錯發(fā)生加鎖過程的激活長度，Ls兩段位錯發(fā)生解鎖過程的臨界距離。本實施例中，模型中各參數(shù)如表2和表3所示：表2模型在973K下的模型參數(shù)表3模型在300K下的模型參數(shù)ParametervalueParametervalueParametervalueC11262.357GPaυ0.33d11.4×10-7mC12153.528GPaKB1.38×10-23J/Kklock0C44112.126GPaθ973Kkunlock0θf-13.47μ66.47GPaL00.4×10-9mfeo0b2.5×10-10mLs0.5×10-9mfes0.5Qslip303J/molHl30×103J/molc11.8v01×1010/sHu28×103J/molc20.025c59.95×109/mc31c61.09×104/mc42.7c75.4×10-3注：表2和表3中的C11、C12和C44是材料的彈性常數(shù)，υ材料的泊松比。本發(fā)明在Ni3Al基合金微觀變形機理的研究基礎(chǔ)上考慮不同位錯形式的演變與運動以及不同滑移系之間位錯的相互影響，建立了物理本構(gòu)模型，真實反應(yīng)了Ni3Al基合金微觀變形行為，所以開發(fā)的物理本構(gòu)模型預(yù)測效果較好。考慮位錯運動的物理本構(gòu)模型建立后，以IC10為例，用本發(fā)明的模型模擬了IC10在300K和973K下的單向拉伸力學(xué)性能，將預(yù)測值與試驗結(jié)果進行對比，見圖2，發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)果和試驗結(jié)果吻合良好，驗證了模型的可靠性。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，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。當前第1頁1 2 3