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(dòng)機(jī)熱端部件材料初始屈服強(qiáng)度的細(xì)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(dòng)機(jī)的高溫?zé)岫瞬考ｆ嚮鶈尉Ц邷睾辖鸬奈⒂^結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成：固溶強(qiáng)化的基體相γ相和LI2型晶體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化相γ'相，由于γ'相的存在，這類(lèi)合金都具有反常的力學(xué)特性：(1)屈服反常，在峰值溫度點(diǎn)以前，屈服強(qiáng)度隨溫度的升高而升高；(2)拉壓非對(duì)稱(chēng)性，拉伸和壓縮條件下的屈服強(qiáng)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(duì)鎳基單晶高溫合金的初始屈服行為研究，主要有兩大類(lèi)模型：宏觀唯像模型和基于滑移機(jī)理的晶體學(xué)模型。目前，以上兩種模型都不能實(shí)現(xiàn)單晶材料所有加載方向初始屈服強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。事實(shí)上，鎳基單晶高溫合金的力學(xué)性能與其變形過(guò)程中激活的滑移系類(lèi)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(shí)內(nèi)部滑移系的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系與溫度和加載方向密切相關(guān)，低溫時(shí)，八面體滑移系占主導(dǎo)地位，高溫時(shí)，立方體滑移系占主導(dǎo)地位，中等溫度區(qū)時(shí)，八面體滑移系和立方體滑移同時(shí)存在；在中溫區(qū)內(nèi)，加載方向接近[001]時(shí)，八面體滑移占主導(dǎo)地位，而當(dāng)加載方向接近[-111]時(shí)，立方體滑移系占主導(dǎo)地位，當(dāng)加載方向在[011]附近時(shí)，兩種滑移系同時(shí)作用。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：發(fā)明目的：針對(duì)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(duì)稱(chēng)微觀模型的建立方法，能夠預(yù)測(cè)中溫區(qū)鎳基單晶材料在所有加載方向下的初始屈服強(qiáng)度。技術(shù)方案：一種鎳基單晶材料統(tǒng)一的拉壓不對(duì)稱(chēng)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(qiáng)度，鎳基單晶材料沿[001]方向單調(diào)壓縮的初始屈服強(qiáng)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(qiáng)度；2)，基于LCP模型的拉壓不對(duì)稱(chēng)理論，考慮不同加載方向下不同滑移系之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，建立統(tǒng)一的拉壓不對(duì)稱(chēng)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(shí)的細(xì)觀拉壓不對(duì)稱(chēng)模型：當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時(shí)，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?yàn)?111)，滑移方向?yàn)?，并記為T(mén)n為當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時(shí)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?yàn)?010)，滑移方向?yàn)椴⒂洖镾3表示十二面體滑移系上的Schmid因子，其滑移面的法向?yàn)?111)，滑移方向?yàn)椴⒂洖镽為波爾茲曼常數(shù)，T為試驗(yàn)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(shí)，δ＝1，壓縮狀態(tài)時(shí)，δ＝-1；σoct為當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時(shí)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(shí)，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?yàn)?010)，滑移方向?yàn)椴⒂洖門(mén)n'為當(dāng)立方體滑移系占主導(dǎo)地位時(shí)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(yàn)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(shí)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(guò)程中內(nèi)部滑移系的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系：SCF＝f(T,N)其中，T表示試驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(duì)稱(chēng)細(xì)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(shí)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(shí)的初始屈服應(yīng)力；將不同滑移系占主導(dǎo)地位時(shí)的屈服應(yīng)力代入上式，得統(tǒng)一拉壓非對(duì)稱(chēng)細(xì)觀模型為：3)，通過(guò)軟件計(jì)算得到統(tǒng)一拉壓不對(duì)稱(chēng)微觀模型的模型參數(shù)。進(jìn)一步的，所建立的統(tǒng)一拉壓非對(duì)稱(chēng)細(xì)觀模型模型參數(shù)的識(shí)別方法為：所述統(tǒng)一拉壓不對(duì)稱(chēng)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(yàn)得到，八面體滑移系占主導(dǎo)地位時(shí)，SCFoct＝1，SCFcub＝0，并且S2(010)[001]＝0；根據(jù)統(tǒng)一拉壓非對(duì)稱(chēng)細(xì)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(qiáng)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(yàn)確定；其中，和σt[012]分別表示[-111]和[012]方向的拉伸初始屈服強(qiáng)度，S1(111)[012]、S2(010)[012]、S3(111)[012]分別表示對(duì)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(qiáng)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(duì)稱(chēng)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(guò)程中八面體滑移系和立方體滑移系之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，克服了已有屈服強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)范圍小的缺點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鎳基單晶材料在不同加載方向不同溫度下的初始屈服強(qiáng)度，真實(shí)反映鎳基單晶材料的拉壓不對(duì)稱(chēng)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(kù)，對(duì)于進(jìn)一步分析鎳基單晶材料的強(qiáng)度和疲勞提供了基礎(chǔ)。附圖說(shuō)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(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)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(duì)稱(chēng)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(jìn)行高溫靜力拉伸試驗(yàn)，沿不同方向切割加工出φ13mm的圓形標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣進(jìn)行高溫靜力壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)條件見(jiàn)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(qiáng)度，鎳基單晶材料沿[001]方向單調(diào)壓縮的初始屈服強(qiáng)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(qiáng)度。表12)，基于LCP模型的拉壓不對(duì)稱(chēng)理論，考慮不同加載方向下不同滑移系之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，建立統(tǒng)一的拉壓不對(duì)稱(chēng)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(shí)的細(xì)觀拉壓不對(duì)稱(chēng)模型：當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時(shí)，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?yàn)?111)，滑移方向?yàn)椋⒂洖門(mén)n為當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時(shí)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?yàn)?010)，滑移方向?yàn)椴⒂洖镾3表示十二面體滑移系上的Schmid因子，其滑移面的法向?yàn)?111)，滑移方向?yàn)椴⒂洖镽為波爾茲曼常數(shù)，T為試驗(yàn)溫度；A0、A2、A3為材料常數(shù)，通過(guò)擬合得到；δ表示材料的受載狀態(tài)，拉伸狀態(tài)時(shí)，δ＝1，壓縮狀態(tài)時(shí)，δ＝-1；σoct為當(dāng)八面體滑移系占主導(dǎo)地位時(shí)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(shí)，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?yàn)?010)，滑移方向?yàn)椴⒂洖門(mén)n'為當(dāng)立方體滑移系占主導(dǎo)地位時(shí)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(yàn)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(shí)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(guò)程中內(nèi)部滑移系的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系：SCF＝f(T,N)其中，T表示試驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(guò)擬合得到。23)，建立統(tǒng)一的拉壓不對(duì)稱(chēng)細(xì)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(shí)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(shí)的初始屈服應(yīng)力；將不同滑移系占主導(dǎo)地位時(shí)的屈服應(yīng)力代入上式，得統(tǒng)一拉壓非對(duì)稱(chēng)細(xì)觀模型為：3)，通過(guò)軟件計(jì)算得到統(tǒng)一拉壓不對(duì)稱(chēng)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(yàn)得到，八面體滑移系占主導(dǎo)地位時(shí)，SCFoct＝1，SCFcub＝0，并且S2(010)[001]＝0；根據(jù)統(tǒng)一拉壓非對(duì)稱(chēng)細(xì)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(qiáng)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(yàn)確定；其中，和σt[012]分別表示[-111]和[012]方向的拉伸初始屈服強(qiáng)度，S1(111)[012]、S2(010)[012]、S3(111)[012]分別表示對(duì)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(qiáng)度經(jīng)Matlab非線性擬合獲得。本實(shí)施例中，利用此法求得的鎳基單晶材料統(tǒng)一拉壓不對(duì)稱(chēng)細(xì)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(shí)施例對(duì)PWA1480和RENEN4分別建立統(tǒng)一的拉壓不對(duì)稱(chēng)細(xì)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(qiáng)度對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。將模型預(yù)測(cè)的初始屈服強(qiáng)度與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2至圖4，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了模型的可靠性。本發(fā)明開(kāi)發(fā)的鎳基單晶材料統(tǒng)一拉壓不對(duì)稱(chēng)細(xì)觀模型在已有LCP模型拉壓不對(duì)稱(chēng)的理論基礎(chǔ)上，考慮了不同加載方向下材料變形過(guò)程中不同滑移系之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，提出滑移控制因子的概念并給出其具體形式，真實(shí)反映鎳基單晶材料變形過(guò)程的細(xì)觀機(jī)理，所以本專(zhuān)利開(kāi)發(fā)的新模型較LCP模型適用范圍更廣，預(yù)測(cè)精度更高。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3