dz125合金的多軸低周疲勞-蠕變行為

dz125合金的多軸低周疲勞-蠕變行為

1應(yīng)變能預(yù)測(cè)模型的發(fā)展在評(píng)估高溫結(jié)構(gòu)的耐久性時(shí)，僅考慮全球疲勞負(fù)荷，就沒(méi)有預(yù)測(cè)全球疲勞是否發(fā)生，只關(guān)心全球疲勞是否發(fā)生。近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越重視材料和工藝的安全評(píng)估。1954年,Manson和Coffin首次分別獨(dú)立地提出了循環(huán)塑性應(yīng)變范圍與循環(huán)壽命之間的指數(shù)定律。1962年,Taira首次提出同時(shí)考慮蠕變斷裂和循環(huán)應(yīng)變疲勞來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)壽命。70年代,同時(shí)考慮疲勞、蠕變及環(huán)境影響的蠕變疲勞壽命預(yù)測(cè)模型獲得了蓬勃發(fā)展。近十年來(lái),不少學(xué)者也相繼提出了一些新的蠕變疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。但只有少數(shù)幾種方法經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展被應(yīng)用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):(1)時(shí)間-循環(huán)分?jǐn)?shù)法(線性或雙線性損傷累積法則),應(yīng)用于美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)的ASMECodeCaseN-47、法國(guó)規(guī)范RCC-MR和英國(guó)規(guī)范R5等;(2)連續(xù)損傷力學(xué)方法,被法國(guó)國(guó)家航空宇航研究院ONERA和NASAGlenn研究中心(前Lewis研究中心)采用;(3)NASAGlenn研究中心提出的應(yīng)變范圍區(qū)分法SRP,被NASAGlenn研究中心及美國(guó)航空航天工業(yè)部門(mén)所采用。另外,Coffin提出的頻率修正法和頻率分離法、Ostergren提出的拉伸滯后能模型、我國(guó)學(xué)者何晉瑞等人提出的應(yīng)變能區(qū)分法(SEP)等方法在國(guó)內(nèi)外也具有較大影響。本文在對(duì)DZ125定向凝固高溫合金進(jìn)行980℃疲勞-蠕變性能研究的基礎(chǔ)上,用應(yīng)變范圍區(qū)分法和三參數(shù)能量方法對(duì)其疲勞-蠕變壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。2試驗(yàn)材料和方法2.1材料和樣品試驗(yàn)采用DZ125定向凝固鑄造鎳基高溫合金,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。低周疲勞試樣工作段直徑為Φ6mm。2.2應(yīng)變控制的應(yīng)變比本研究中對(duì)DZ125合金分別進(jìn)行了980℃的無(wú)保載(PP型)、壓縮保載(PC型)、拉伸保載(CP型)和拉伸-壓縮都保載(CC型)應(yīng)變控制的應(yīng)變比為-1的低周疲勞試驗(yàn)。3結(jié)果與分析3.1低周疲勞試驗(yàn)對(duì)DZ125合金進(jìn)行了980℃應(yīng)變比為-1、取向?yàn)榈牟煌d荷形式(PP、CP、PC、CC)下的低周疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖4所示。可以看出,PP載荷形式下該材料的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為不明顯。CP型、PC型和CC型載荷形式下,該材料表現(xiàn)出明顯的循環(huán)軟化現(xiàn)象,循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為與應(yīng)變水平有明顯的相關(guān)性,當(dāng)應(yīng)變水平高時(shí)循環(huán)軟化現(xiàn)象明顯,當(dāng)應(yīng)變水平低時(shí),循環(huán)軟化現(xiàn)象不明顯。3.2低周疲勞試驗(yàn)對(duì)DZ125合金進(jìn)行了980℃應(yīng)變比為-1、取向?yàn)榈牟煌d荷形式(PP、CP、PC、CC)下的低周疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?在相同的總應(yīng)變范圍、PP載荷形式下該材料的低周疲勞壽命最長(zhǎng),CP載荷形式下其低周疲勞壽命次之,PC載荷形式下該材料的低周疲勞壽命要比CP載荷形式下該材料的低周疲勞壽命短,而CC載荷形式下該材料的低周疲勞壽命最短。這種現(xiàn)象在應(yīng)變水平越低時(shí)越明顯。4死亡預(yù)測(cè)4.1般高溫循環(huán)滯后回線的最優(yōu)應(yīng)變類(lèi)型—應(yīng)變范圍區(qū)分法應(yīng)變范圍區(qū)分法由Manson、Halford和Hirschberg于1971年提出,基本的應(yīng)變范圍區(qū)分法直接分析高溫循環(huán)滯后回線的非彈性應(yīng)變范圍,認(rèn)為與時(shí)間相關(guān)(蠕變)和時(shí)間無(wú)關(guān)(塑性)的兩類(lèi)應(yīng)變,即使應(yīng)變量相同,所引起的損傷也不同,必須對(duì)非彈性應(yīng)變范圍進(jìn)行區(qū)分。按拉、壓載荷以及蠕變與塑性應(yīng)變的區(qū)別,將非彈性應(yīng)變范圍區(qū)分為PP、PC、CP和CC四種應(yīng)變分量。然后將室溫下的Manson-Coffin方程推廣到蠕變疲勞,分別建立四種應(yīng)變分量對(duì)壽命的關(guān)系式,即Nij=Aij(△εij)βijΝij=Aij(△εij)βij(1)式(1)中,下標(biāo)ij分別表示PP、PC、CP或CC。對(duì)于一般的高溫循環(huán)滯后回線,其非彈性應(yīng)變范圍不只包含上述一種應(yīng)變類(lèi)型,整個(gè)滯后回線的循環(huán)壽命由一定的損傷法則確定。1973年,Manson提出了下面的交互作用損傷法則:1Nf=∑FijNij1Νf=∑FijΝij(2)式(2)中,應(yīng)變分?jǐn)?shù)Fij=△εij/△εin,壽命分量Nij為將總的非彈性應(yīng)變范圍代入方程(1)計(jì)算出的壽命,即Nij=Aij(△εin)βijΝij=Aij(△εin)βij,同樣下標(biāo)ij分別表示PP、PC、CP或CC。而用應(yīng)變范圍區(qū)分法處理疲勞-蠕變交互作用試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的壽命方程為:PP型:NPP=4.3047(△εPP)?0.7465(△εΡΡ)-0.7465(3)PC型:NPC=0.0001(△εPC)?2.751101(△εΡC)-2.7511(4)CP型:NCP=0.0031(△εCP)?2.04531(△εCΡ)-2.045(5)CC型:NCC=0.0023(△εCC)?2.1222(△εCC)-2.1222(6)雖然廣泛的研究與驗(yàn)證表明:應(yīng)變范圍區(qū)分法利用非彈性應(yīng)變范圍的不同分量分別反映蠕變與疲勞的交互作用損傷,從而簡(jiǎn)化了溫度、頻率和波形等因素對(duì)蠕變疲勞壽命的影響,但是應(yīng)變范圍區(qū)分法也存在著一些不足和困難。首先,對(duì)于多軸應(yīng)力狀態(tài)下如何區(qū)分非彈性應(yīng)變范圍;其次,基本的應(yīng)變范圍區(qū)分法沒(méi)有考慮平均應(yīng)力影響,如何進(jìn)行平均應(yīng)力修正;另外一個(gè)很重要的問(wèn)題是,很多高溫材料在其工作條件下非彈性應(yīng)變范圍很小,要準(zhǔn)確區(qū)分存在著困難,如何解決高強(qiáng)度、低延性材料在低應(yīng)變、長(zhǎng)壽命范圍內(nèi)的高溫疲勞壽命預(yù)測(cè)問(wèn)題;再有,應(yīng)變范圍區(qū)分法不能反映材料的疲勞極限,不能消除彈性模量測(cè)量誤差和選取方法對(duì)壽命方程參數(shù)的影響。4.2疲勞極限的確定綜合Manson-Coffin方程、拉伸滯后能損傷函數(shù)法和ε-N曲線三參數(shù)冪函數(shù)公式的優(yōu)缺點(diǎn),本項(xiàng)目在對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究后,提出了三參數(shù)冪函數(shù)能量方法(3SE)壽命預(yù)測(cè)模型。Nf(△W?△W0)m=CΝf(△W-△W0)m=C(7)W=△εin·△σ=△εin(σmax-σmin)(8)式中,△W0為疲勞極限。△W0、m、C均為待定常數(shù)。純疲勞時(shí)非彈性應(yīng)變范圍△εin用△εP代替。用上述方法對(duì)DZ125定向合金980℃下的PP、PC、CP和CC型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到了以下的壽命方程:PP型:Nf=2143.4·W-1.383(9)PC型:Nf=833.7·(W-0.5314)-0.888(10)CP型:Nf=3935.7·W-1.7233(11)CC型:Nf=1871.5·W-1.3484(12)得到的能量-壽命曲線如圖6～圖9所示。4.3圖1、2對(duì)兩種數(shù)據(jù)處理得到壽命方程的預(yù)測(cè)能力進(jìn)行了評(píng)估,評(píng)估結(jié)果如表2、圖10和圖11所示。從表2、圖10和圖11可以看出:三參數(shù)能量方法(3SE)的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果從標(biāo)準(zhǔn)差、分散帶角度都明顯比應(yīng)變范圍區(qū)分法(SRP)的壽命預(yù)測(cè)精度顯著提高。5應(yīng)變水平的影響1)PP載荷形式下該材料的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為不明顯。CP、PC和CC載荷形式下該材料表現(xiàn)出明顯的循環(huán)軟化現(xiàn)象,循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為與應(yīng)變水平有明顯的相關(guān)性,當(dāng)應(yīng)變水平高時(shí)循環(huán)軟化現(xiàn)象明顯,當(dāng)應(yīng)變水平低時(shí)循環(huán)軟化現(xiàn)象不明顯;2)在相同的總應(yīng)變范圍下,PP