镍基单晶高温合金蠕变模型参数确定与蠕变寿命预测方法

技术领域

本公开涉及材料技术领域，具体而言，涉及一种镍基单晶高温合金蠕变模型参数确定与蠕变寿命预测方法。

背景技术

叶片结构在服役环境中主要承受轴向的离心荷载作用，由离心力导致的蠕变失效与疲劳失效是造成叶片破坏的主要原因。近年来科研工作者对镍基单晶高温合金及等轴晶的蠕变与疲劳行为进行了大量的研究。

筏化过程中微观结构的演化决定了单晶合金高温服役环境中的宏观力学性能，Pearson等将筏化过程视为增强单晶合金[001]取向蠕变行为的硬化过程，认为其抑制攀移γ'相的位错活动，大大增加对蠕变变形的阻力。

然而，也有很多的研究认为筏化过程中强化相的定向粗化是一种软化行为，使得单晶合金高温下的机械性能弱化。由此可见，对γ/γ'两相的高温性能及γ'相筏化行为提供的蠕变抗力缺乏足够的研究。需要大量的试验数据才可以拟合得到蠕变参数，并且不一定适用于所有应力条件。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种镍基单晶高温合金蠕变模型的参数确定与蠕变寿命预测方法，能够得到任意应力条件下的蠕变寿命。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的一个方面，提供了一种镍基单晶高温合金蠕变模型参数确定方法，该确定方法包括：

提供一目标试验件；

对所述目标试验件在预设温度下进行多次蠕变试验，获取多次蠕变试验的试验数据；

根据所述试验数据确定蠕变曲线；

根据所述蠕变曲线确定不同应力条件下稳态蠕变阶段的蠕变速率；

根据所述蠕变速率、晶体塑性理论，通过拟合确定所述预设温度下的蠕变模型参数。

在本公开的一种示例性实施例中，对所述目标试验件在预设温度下进行多次蠕变试验，包括：

对所述目标试验件在预设温度下进行至少三种以上不同应力的蠕变试验。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述试验数据确定蠕变曲线，包括：

以时间为横坐标，应变为纵坐标，确定蠕变曲线。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述蠕变曲线确定不同应力条件下稳态蠕变阶段的蠕变速率，包括：

选取稳态蠕变阶段试验曲线，将曲线对时间求导，确定每种不同应力条件下稳态蠕变阶段的蠕变速率。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述蠕变速率、晶体塑性理论，通过拟合确定所述预设温度下的蠕变模型参数，包括：

根据晶体塑性理论中公式：

其中，

上述公式两边取ln，得：

通过移项，得：

其中，已知

在本公开的一种示例性实施例中，令y＝ax+b并通过拟合得到该温度下的温度相关的第一蠕变参数A和第二蠕变参数n，包括：

令y＝ax+b并通过在函数绘图软件中拟合得到该温度下的温度相关的第一蠕变参数A和第二蠕变参数n。

根据本公开的另一个方面，提供了一种镍基单晶高温合金的蠕变寿命预测方法，该寿命预测方法包括：

通过上述的镍基单晶高温合金蠕变模型参数的确定方法确定蠕变参数；

确定蠕变本构模型；

根据蠕变参数与蠕变本构模型确定蠕变寿命。

在本公开的一种示例性实施例中，所述蠕变本构模型为单参数蠕变本构模型：

其中，

在本公开的一种示例性实施例中，所述蠕变本构模型为双参数蠕变本构模型，双参数蠕变损伤本构模型为：

其中

在本公开的一种示例性实施例中，总的损伤D为：

当D达到1时将发生蠕变断裂。

本公开提供的镍基单晶高温合金蠕变模型参数确定方法，通过步骤S100-S300可以得到每种应力条件下的蠕变曲线，通过步骤S400得到每种不同应力条件下稳态蠕变阶段的蠕变速率

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本公开的一种实施例提供的镍基单晶高温合金蠕变模型参数确定方法的流程图；

图2为本公开的一种实施例提供的目标试验件的结构示意图；

图3为本公开的一种实施例提供的镍基单晶高温合金的蠕变寿命预测方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

主应力方向的晶体取向、应力状态和应力大小以及蠕变的温度与时间等外部因素也对筏化行为起到重大影响。在高温下，外部应力可以显著影响γ/γ'界面处的γ'沉淀物的纵横比和相界面位错密度。在荷载作用下，位于相界面的原子化学势产生了差异，为γ'相的筏化提供了扩散的驱动力，且筏化完成的时间随荷载的增大而大大降低。晶体取向相关性也是筏化的重要特征，在单轴拉伸应力条件下，负错配度的单晶合金[001]，[011]及[111]取向筏化形式分别为N型筏化、P型筏化及无定向粗化趋势。复杂应力下的筏化研究也有一定的进展：Caccuri等人通过设计V形薄板，实现在厚度方向上生成连续变化的多轴应力状态，发现筏化的过程对于应力三轴度的正负与量级高度敏感，且压缩时的筏化快于拉伸状态。而双轴拉伸和双剪切蠕变试验显示γ′筏化方向垂直于最大主应力轴，同时和施加的等效应力也有密切关系。

针对上述技术问题，本公开的实施例首先提供了一种镍基单晶高温合金蠕变模型参数确定方法，如图1所示，包括：

步骤S100、提供一目标试验件；

步骤S200、对所述目标试验件在预设温度下进行多次蠕变试验，获取多次蠕变试验的试验数据；

步骤S300、根据所述试验数据确定蠕变曲线；

步骤S400、根据所述蠕变曲线确定不同应力条件下稳态蠕变阶段的蠕变速率；

步骤S500、根据所述蠕变速率、晶体塑性理论，通过拟合确定所述预设温度下的蠕变模型参数。

本公开提供的镍基单晶高温合金蠕变模型参数确定方法，通过步骤S100-S300可以得到每种应力条件下的蠕变曲线，通过步骤S400得到每种不同应力条件下稳态蠕变阶段的蠕变速率

下面，将对本公开提供的镍基单晶高温合金蠕变模型参数确定方法中的各步骤进行详细的说明。

在步骤S100中，提供一目标试验件。

具体地，如图2所示，提供圆棒蠕变试验件，尺寸如图2所示。

在步骤S200中，对所述目标试验件在预设温度下进行多次蠕变试验，获取多次蠕变试验的试验数据。

具体地，在相同温度条件下，进行三种或三种以上应力的蠕变试验，按照金属高温拉伸蠕变及持久试验方法(GB/T 42039-1997)所有试验在RDL100高温蠕变试验机上进行，试验环境为空气，试件置于高温炉中，试验温度采用S型热电偶控制并采集试件表面温度，试验中沿试件的轴向方向加载，采用应力控制，温度升至目标之后保温30min后开始试验，试样的标距段的轴向为相同，最后得到每种应力条件下的试验数据。

在步骤S300中，根据所述试验数据确定蠕变曲线。

具体地，根据试验数据，以时间为x轴，应变为y轴，绘出蠕变曲线。

在步骤S400中，根据所述蠕变曲线确定不同应力条件下稳态蠕变阶段的蠕变速率。

具体地，根据蠕变曲线确定不同应力条件下稳态蠕变阶段的蠕变速率。其中，选取稳态蠕变阶段试验曲线，将曲线对时间求导，得到每种不同应力条件下稳态蠕变阶段的蠕变速率

在步骤S500中，根据所述蠕变速率、晶体塑性理论，通过拟合确定所述预设温度下的蠕变模型参数。

具体地，根据晶体塑性理论中公式：

其中，

上述公式两边取ln，得：

通过移项，得：

其中，已知

其中，令y＝ax+b并通过在函数绘图软件中拟合得到该温度下的温度相关的第一蠕变参数A和第二蠕变参数n。

利用该方法得到的第一蠕变参数A和第二蠕变参数n，结合单/双参数蠕变本构模型，可以得到任意应力条件下的蠕变寿命。

本公开的实施例还提供了一种镍基单晶高温合金的蠕变寿命预测方法，如图3所示，该寿命预测方法包括：

步骤S600、通过上述的镍基单晶高温合金蠕变模型参数的确定方法确定蠕变参数。

具体地，通过上述镍基单晶高温合金蠕变模型参数确定方法的确定第一蠕变参数A和第二蠕变参数n。具体确定过程参照上述镍基单晶高温合金蠕变模型参数确定方法，在此不再赘述。

步骤S700、确定蠕变本构模型。

具体地，蠕变本构模型包括单参数蠕变本构模型和双参数蠕变本构模型，确定蠕变本构模型为单参数蠕变本构模型或双参数蠕变本构模型。

步骤S800、根据蠕变参数与蠕变本构模型确定蠕变寿命。

具体地，单参数蠕变本构模型：

基于Hill，Rice及Kachanov等人建立的晶体塑性理论，建立蠕变本构方程。假设滑移系α的蠕变剪应变率

式中，A为第一蠕变参数，n为第二蠕变参数，τ

滑移系α的分切应力可表示为：

τ

式中，P

弹性应变率

从Kachanov和Ravbotnov提出的连续损伤模型出发，并在Yeh和Krempl提出的损伤演化率的基础上，我们在单晶滑移理论的框架下提出了使用晶体滑移面上的物理量，如分解切应力和剪切应变率，来计算损伤的演化。因此，累计损伤率可以修改成应力和蠕变率相关的形式，如下：

其中，χ为温度相关的第二参数，通过拟合得到取值范围为0-1；φ为温度相关的第三参数，通过拟合得到取值范围为0-1；

其中，A为第一蠕变参数，n为第二蠕变参数，R为气体常数，T为绝对温度，Q为激活能，八面体滑移系为Q

参考应力定义为临界分切应力τ

β

该方程可以描述当加载应力到达参考应力时即发生蠕变失效，而非无限制的加载应力，同时也可以描述当初始加载应力接近参考应力或者当前蠕变率远远大于稳态蠕变率(相当于蠕变第三阶段)下的加速损伤过程。

双参数蠕变本构模型：

假设滑移系α的蠕变剪切应变率

其中，A为第一蠕变参数，n为第二蠕变参数，τ

滑移系α损伤的蠕变剪切应变率可以表示为：

其中，n是温度相关的第二蠕变参数，

其中，τ

宏观应力σ与滑移系的分切应力τ之间的关系可用如下的Schmid公式表示：

τ＝S

这里S

表1三个特殊取向滑移系的Schmid系数(因子)S

滑移系的分切应变γ与轴向应变ε之间的变换关系为：

这里

表2三个特殊取向的

根据晶体滑移理论和蠕变的一般规律，可设滑移系α的蠕变剪应变率

其中，A、n、p为蠕变参数，

考虑筏化-解筏及夹杂空洞损伤机理的双参数蠕变损伤本构模型为：

其中

当D达到1时将发生蠕变断裂。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。