双剪切试样在镍基单晶合金蠕变变形损伤和寿命研究中的应用

在对不同滑移系的双剪切试样进行蠕变实验的基础上，结合单向应力拉伸蠕变实验，并利用晶体滑各向异性蠕变损伤本构模型和有限元程序，对双剪切蠕变试样进行了研究。结果表明，对剪切试样受剪区域的应力状态基本为均匀分布且随蠕变时间变化很小，大部分受剪区域为单滑移系开动，提出的基于蠕变γ′相筏化规律的蠕变损伤本构模型，结合有限元（FEM）分析可以很好地描述双剪切试样的蠕变损伤规律，并可以和单向应力状态的实验结果联系起来，双剪切试样可以用来研究镍基单晶合金蠕变性能的晶体取向相关性，实验表明这种晶体取向相关性与开动滑移系类型及γ′相符代规律相关。     

镍基单晶合金复杂应力状态低周疲劳寿命预测

根据损伤应变能释放率的定义表达式，将各向同性材料应力二三轴性因子拓展到正交异性材料，定义了含有3个弹性常数的镍基单晶应力三轴性因子。用它修正Mises应变范围作为疲劳损伤参量，可以显著消除晶体取向和多轴载荷对疲劳寿命的影响。用损伤应变能释放率作为热力学广义力描述正交异性材料的疲劳损伤过程，引入取向函数和损伤驱动力循环特征参数反映晶体各向异性对疲劳损伤的非线性影响以及循环载荷的交变特性，提出了单晶合金低周疲劳损伤模型。利用CMSX-2镍基单晶合金薄壁圆筒试样的拉一扭循环载荷低周疲劳试验数据和DD3镍基单晶合金缺口试样的低周疲劳试验数据，运用多元线性回归分析方法拟合模型的材料常数，试验所得数据分别落在2．5倍和2．0倍偏差分布带内。     

镍基单晶高温合金的蠕变损伤规律研究

基于镍基单晶合金蠕变过程中的细、微观组织结构变化及损伤特点，本文建立了考虑材质劣化和空洞损伤的双参数蠕变损伤本构方程及寿命预测模型。利用ＤＤ３单晶材料〈００１〉晶体取向的７６０，８５０和１０００℃实验结果考核表明，所建模型可以比较准确地预测蠕变第二、第三阶段变形状态及破坏特征。第二阶段持续时间、第三阶段开始时间可以表示成蠕变应力的指数函数；随着温度的升高，材料劣化加剧，空洞损伤也增加。     

镍基单晶合金的γ′相筏化准则及蠕变性能的晶体取向相关性

基于最大降低相界面能密度原理,本文推导了一般应力状态下镍基单晶合金的强化相γ′筏化准则,给出了筏化图,并得到试验结果的验证,进而定量分析了筏化过程,利用该准则即最大相界面密度降低,可以很好地描述蠕变性能的晶体取向相关性,并初步得到试验结果的验证。     

镍基单晶合金的γ'相筏化准则及蠕变性能的晶体取向相关性

基于最大降低相界面能密度原理,本文推导了一般应力状态下镍基单晶合金的强化相γ＇筏化准则,给出了筏化图,并得到试验结果的验证,进而定量分析了核化过程;利用该准则即最大相界面能密度降低,可以很好地描述蠕变性能的晶体取向相关性,并初步得到试验结果的验证．     

用人工神经网络法预测镍基单晶高温合金的蠕变断裂寿命

根据大量镍基单晶高温合金在不同温度和应力下的蠕变断裂寿命数据,采用一种先进的人工神经网络方法建立运算模型,对合金在不同实验或运行条件下的蠕变断裂寿命进行了预测,并将测算结果与现有其它方法进行了比较．结果表明,所建网络能较准确预测第一、二、三代镍基单晶合金的蠕变断裂寿命．将正交试验分析与网络预测相结合,获得在982℃／250MPa下给定合金成分范围的各元素对其蠕变断裂寿命影响程度的排序．     

双剪切试样的应力应变分析及其在镍基单晶超合金上的应用

双剪切试样是设计用于研究镍基单晶超合金的蠕变问题。本文研究该试样详细的蠕变应力和应变分布以及边界条件的影响。计算结果表明,利用ABAOUS和RIGID SURFACE作为边界的初步分析是保定的,因为它只能保证在10％蠕变应变内的精确性。利用更真实的边界条件（ABAQUS中的CONTACT PAIR）,能给出更均匀和更高应变时的精确性。建立了材料蠕变性能参数（Norton律）和双剪切试样宏观响应的关系,使得能够利用双剪切试样试验来确定材料蠕变性能参数,并已给出了相应的公式。本文利用镍基单晶超合金的试验数据对镍基单晶超合金双剪切试样进行分析,并与试验结果进行对比,结果相当一致。     

复杂应力状态下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型

镍基单晶合金的低周疲劳（ＬＣＦ）晶体取向相关性和其弹塑性的晶体取向相关性有密切关系,基于所建晶体取向各向异性弹塑性晶体滑移模型,本文推导了复杂应力状态下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型,结论为ＬＣＦ寿命与修正的滑移应变呈指数关系。在详细分析薄壁圆筒试样受拉－扭载荷下应力应变分布规律的基础上,利用不同拉－扭载茶下的低周疲劳寿命数据,对本文所提模型进行了成功的考核。     

镍基单晶合金基体相γ在不同应力状态蠕变的扩散分析

对镍基单晶合金材料DD3的[001]取向试样进行950℃、278 MPa/250 MPa两种载荷水平的3个时间阶段的单轴拉伸蠕变试验.采用扫描电镜(SEM)观察各试验阶段试样的γ/γ'两相微观组织.通过抽样统计得到基体相γ通道水平宽度在三个蠕变时间阶段的概率密度函数,其概率分布服从对数正态分布.分析了在同一温度下两种载荷水平对γ相水平宽度变化的影响,并结合蠕变寿命曲线分析了微观γ相水平宽度与蠕变时间的函数关系.结果表明,外加载荷是影响基体相γ通道水平宽度增长速率的重要因素,但对在蠕变断裂后最终的γ相宽度值的影响不显著.     

镍基单晶合金蠕变过程中的组织演变

研究了镍基单晶合金Ni-9.0Cr-5.0W-5.5Al-4.5Co-1.7Ti在蠕变过程中的组织演变。结果表明,热处理后,[011]取向镍基单晶合金为白色的γ基体相,其中以共格方式镶嵌着黑色的立方γ′相。蠕变前,立方γ′相沿100与[011]方向呈45°角规则分布;蠕变后,γ′相沿[001]取向呈筏状分布。     

不同取向镍基单晶高温合金的蠕变参数及其与蠕变行为的关系研究

通过蠕变性能的测试和内摩擦应力的测定,研究了[001]、[011]和[111]取向镍基单晶高温合金分别沿[001]、[011]和[111]取向在高温/低应力条件下拉伸蠕变至稳态阶段的有效蠕变参数及其与蠕变性能和变形机制之间的关系。结果表明,随着温度的升高和外加应力的降低,3种取向合金的内摩擦应力降低。在相同条件下,3种取向合金的内摩擦应力顺序为σ_(i[001])σ_(i[111])σ_(i[011])。蠕变前后[011]和[111]取向合金内相对于应力轴倾斜连贯的"屋脊"型基体通道是2种合金具有较低内摩擦应力和较差蠕变抗力的重要原因。[001]取向合金在1040℃/137 MPa条件下的有效蠕变激活能为Q_(e[001])=281.32 kJ/mol,表明其稳态阶段的变形机制为元素扩散控制的位错攀移。[011]取向合金的有效蠕变激活能为Q_(e[011])=146.87 kJ/mol,其较低的数值与其内部开放的基体通道对位错滑移较小的阻碍作用有关;[111]取向合金较[011]取向合金较高的有效蠕变激活能Q_(e[111])=182.61 kJ/mol与其内部片层状的γ′相和位错的交滑移有关。     

Influence of Pre-Compressive Creep on Internal Friction Stress and Creep Parameters of Nickel-Base Single Crystal Superalloys

By means of pre-compressive creep treatment, the cubic γ′ phase in a nickel base single crystal superalloy is transformed into the P-type rafted structure. And the influence of the pre-compressive creep on the internal friction stress and creep lifetimes of the superalloy are investigated by means of the measurement of the creep curves and microstructure observation. Results show that, compared to the P-type structure alloy, the full heat treated state alloy displays a bigger internal friction stress value ...     

含铸造微孔镍基单晶合金蠕变损伤和裂纹萌生的模拟计算

基于镍基单晶合金蠕变变形过程中的细、微观组织结构变化及损伤特点,建立了考虑材质劣化和孔洞损伤的双参数蠕变损伤本构方程。利用所建模型对裂纹前缘含铸造缺陷（孔洞）的镍基单晶合金紧凑拉伸（CT）试样蠕变损伤和裂纹萌生进行了模拟计算,并考虑了晶体取向偏差和随机性的影响。计算结果表明：晶体取向和孔洞位置对试样蠕变损伤和裂纹萌生行为有着显著的影响。当孔洞距切口根部距离较近时,裂纹形核于切口附近的孔洞表面,裂纹形核时间较短;孔洞距切口根部距离较远时,裂纹形核位置位于切口表面,具体位置取决于试样的晶体取向,裂纹形核时间较长。随着加载轴晶体取向偏角的增大,裂纹形核时间明显缩短,其分散性加大,最大有34.7%的变化幅度;试样在2个不受控的晶体取向变化时,在偏角为45°和80°出现极值,裂纹形核时间最大偏差达3倍。     

基于位错运动的镍基单晶各向异性蠕变寿命预测

对3种不同取向的DD6镍基单晶高温合金进行了980℃下的蠕变试验,结果表明镍基单晶高温合金蠕变失效机理是材料内部微孔洞的萌生与微裂纹的扩展,其本质是由位错运动造成的。采用透射电镜(TEM)对蠕变初期[001]、[111]和[011]3种取向的单晶合金的位错形貌进行观测,发现其分别符合八面体滑移系开动、六面体滑移系开动与两滑移系同时开动的特征。针对上述微观现象,基于晶体塑性理论建立了考虑Orowan效应与位错阻碍效应的蠕变本构模型与蠕变损伤模型,并根据试验得到的蠕变曲线拟合了模型参数。该模型的有限元模拟结果与单晶材料的蠕变断口形貌相互印证,解释了单晶蠕变的各向异性的力学行为。     

镍基单晶高温合金沉淀相尺度效应研究

对Ni_3Al(γ')沉淀相尺寸对镍基单晶高温合金拉伸性能的影响进行了研究。对镍基单晶高温合金而言,材料的屈服来源于位错以Orowan机制绕过沉淀相,而Orowan应力与沉淀相间距有关。根据这一机理,基于晶体塑性理论,引入一个本构方程以表征沉淀相尺寸对镍基单晶高温合金屈服强度的影响。采用该本构模型,分别计算了在[001]以及[111]2个取向下,含有尺寸为0.2~2.5μm沉淀相的镍基单晶高温合金屈服强度,并与试验结果进行了对比验证。结果表明,该模型可以准确表征镍基单晶高温合金沉淀相的尺度效应。     

两种热处理对镍基单晶高温合金CMSX-4微观组织和持久性能的影响

研究了第2代镍基单晶高温合金CMSX-4的标准多级预处理+固溶热处理(多级固溶)和一种超初熔点固溶热处理工艺对其组织、元素偏析和持久性能的影响。结果表明:合金经1280℃/1 h+1290℃/2 h+1300℃/6 h,AC+1140℃/4h,AC+870℃/16 h,AC多级固溶热处理(工艺1)后,元素偏析得到较明显改善,在980℃/250 MPa和1070℃/140 MPa条件下的持久寿命分别为207.50 h和280.84 h。工艺1的固溶热处理过程中形成较多固溶微孔,铸态微孔尺寸增大,这些显微孔洞在持久实验中成为合金的裂纹源,使合金发生微孔聚集型断裂,是CMSX-4合金发生持久断裂的关键原因。合金经1320℃/3 h,AC+1140℃/4 h,AC+870℃/16 h,AC超初熔点热处理(工艺2)后,改善合金元素偏析情况不如工艺1,但采用的固溶处理制度形成的微孔数量较少,持久寿命更高,在980℃/250 MPa和1070℃/140 MPa条件下的持久寿命分别为293.08 h和310.10 h。     

RE含量及环境条件对SnAgCu钎焊接头蠕变断裂寿命的影响

采用搭接面积为1mm^2的微型接头，研究了Ce-La混合稀土（RE）含量和环境条件对Sn2．5Ag0．7CuxRE钎料钎焊接头蠕变断裂寿命的影响。结果表明：添加微量RE可改变钎焊接头界面层金属间化合物的几何尺寸及形态，从而影响SnAgCuRE钎料合金钎焊焊点的蠕变断裂寿命。当RE添加量为0.1％时（质量分数，下同），焊点界面金属间化合物尺寸小且均匀，蠕变断裂寿命最长，为SnAgCu焊点蠕变断裂寿命的8．4倍，其值明显高于商用钎料Sn3．8Ag0．7Cu焊点的蠕变断裂寿命。在相同条件下，焊点的服役温度升高、应力增加，将导致焊点的蠕变断裂寿命下降。     

热等静压对单晶高温合金组织和持久性能的影响

在高温度梯度真空定向凝固炉中,采用螺旋选晶法制备了单晶高温合金,再在1180℃/150 MPa条件下对其进行热等静压,然后进行标准热处理,研究了热等静压对单晶高温合金组织和不同条件下持久性能的影响。结果表明,合金热等静压后,铸态组织的共晶含量基本保持不变,γ′相尺寸增加,立方化程度增加,γ基体通道变宽。热处理组织的γ′相尺寸稍有减小,立方化程度增加。在760℃/800 MPa和980℃/250 MPa条件下,合金的持久寿命增加;而在1100℃/140 MPa条件下,粒状碳化物的析出导致持久寿命没有提高,与未热等静压的合金持平。