dz125合金的多轴低周疲劳-蠕变行为

dz125合金的多轴低周疲劳-蠕变行为

1应变能预测模型的发展在评估高温结构的耐久性时，仅考虑全球疲劳负荷，就没有预测全球疲劳是否发生，只关心全球疲劳是否发生。近年来，人们越来越重视材料和工艺的安全评估。1954年,Manson和Coffin首次分别独立地提出了循环塑性应变范围与循环寿命之间的指数定律。1962年,Taira首次提出同时考虑蠕变断裂和循环应变疲劳来预测结构寿命。70年代,同时考虑疲劳、蠕变及环境影响的蠕变疲劳寿命预测模型获得了蓬勃发展。近十年来,不少学者也相继提出了一些新的蠕变疲劳寿命预测模型。但只有少数几种方法经过不断发展被应用于实际工程结构设计:(1)时间-循环分数法(线性或双线性损伤累积法则),应用于美国机械工程师学会的ASMECodeCaseN-47、法国规范RCC-MR和英国规范R5等;(2)连续损伤力学方法,被法国国家航空宇航研究院ONERA和NASAGlenn研究中心(前Lewis研究中心)采用;(3)NASAGlenn研究中心提出的应变范围区分法SRP,被NASAGlenn研究中心及美国航空航天工业部门所采用。另外,Coffin提出的频率修正法和频率分离法、Ostergren提出的拉伸滞后能模型、我国学者何晋瑞等人提出的应变能区分法(SEP)等方法在国内外也具有较大影响。本文在对DZ125定向凝固高温合金进行980℃疲劳-蠕变性能研究的基础上,用应变范围区分法和三参数能量方法对其疲劳-蠕变寿命进行预测研究。2试验材料和方法2.1材料和样品试验采用DZ125定向凝固铸造镍基高温合金,其化学成分见表1。低周疲劳试样工作段直径为Φ6mm。2.2应变控制的应变比本研究中对DZ125合金分别进行了980℃的无保载(PP型)、压缩保载(PC型)、拉伸保载(CP型)和拉伸-压缩都保载(CC型)应变控制的应变比为-1的低周疲劳试验。3结果与分析3.1低周疲劳试验对DZ125合金进行了980℃应变比为-1、取向为的不同载荷形式(PP、CP、PC、CC)下的低周疲劳试验,试验结果如图1～图4所示。可以看出,PP载荷形式下该材料的循环应力响应行为不明显。CP型、PC型和CC型载荷形式下,该材料表现出明显的循环软化现象,循环应力响应行为与应变水平有明显的相关性,当应变水平高时循环软化现象明显,当应变水平低时,循环软化现象不明显。3.2低周疲劳试验对DZ125合金进行了980℃应变比为-1、取向为的不同载荷形式(PP、CP、PC、CC)下的低周疲劳试验,试验结果如图5所示。可以看出,在相同的总应变范围、PP载荷形式下该材料的低周疲劳寿命最长,CP载荷形式下其低周疲劳寿命次之,PC载荷形式下该材料的低周疲劳寿命要比CP载荷形式下该材料的低周疲劳寿命短,而CC载荷形式下该材料的低周疲劳寿命最短。这种现象在应变水平越低时越明显。4死亡预测4.1般高温循环滞后回线的最优应变类型—应变范围区分法应变范围区分法由Manson、Halford和Hirschberg于1971年提出,基本的应变范围区分法直接分析高温循环滞后回线的非弹性应变范围,认为与时间相关(蠕变)和时间无关(塑性)的两类应变,即使应变量相同,所引起的损伤也不同,必须对非弹性应变范围进行区分。按拉、压载荷以及蠕变与塑性应变的区别,将非弹性应变范围区分为PP、PC、CP和CC四种应变分量。然后将室温下的Manson-Coffin方程推广到蠕变疲劳,分别建立四种应变分量对寿命的关系式,即Nij=Aij(△εij)βijΝij=Aij(△εij)βij(1)式(1)中,下标ij分别表示PP、PC、CP或CC。对于一般的高温循环滞后回线,其非弹性应变范围不只包含上述一种应变类型,整个滞后回线的循环寿命由一定的损伤法则确定。1973年,Manson提出了下面的交互作用损伤法则:1Nf=∑FijNij1Νf=∑FijΝij(2)式(2)中,应变分数Fij=△εij/△εin,寿命分量Nij为将总的非弹性应变范围代入方程(1)计算出的寿命,即Nij=Aij(△εin)βijΝij=Aij(△εin)βij,同样下标ij分别表示PP、PC、CP或CC。而用应变范围区分法处理疲劳-蠕变交互作用试验数据得到的寿命方程为: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)虽然广泛的研究与验证表明:应变范围区分法利用非弹性应变范围的不同分量分别反映蠕变与疲劳的交互作用损伤,从而简化了温度、频率和波形等因素对蠕变疲劳寿命的影响,但是应变范围区分法也存在着一些不足和困难。首先,对于多轴应力状态下如何区分非弹性应变范围;其次,基本的应变范围区分法没有考虑平均应力影响,如何进行平均应力修正;另外一个很重要的问题是,很多高温材料在其工作条件下非弹性应变范围很小,要准确区分存在着困难,如何解决高强度、低延性材料在低应变、长寿命范围内的高温疲劳寿命预测问题;再有,应变范围区分法不能反映材料的疲劳极限,不能消除弹性模量测量误差和选取方法对寿命方程参数的影响。4.2疲劳极限的确定综合Manson-Coffin方程、拉伸滞后能损伤函数法和ε-N曲线三参数幂函数公式的优缺点,本项目在对大量试验数据进行分析和研究后,提出了三参数幂函数能量方法(3SE)寿命预测模型。Nf(△W−△W0)m=CΝf(△W-△W0)m=C(7)W=△εin·△σ=△εin(σmax-σmin)(8)式中,△W0为疲劳极限。△W0、m、C均为待定常数。纯疲劳时非弹性应变范围△εin用△εP代替。用上述方法对DZ125定向合金980℃下的PP、PC、CP和CC型试验数据进行处理,得到了以下的寿命方程: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-寿命曲线如图6～图9所示。4.3图1、2对两种数据处理得到寿命方程的预测能力进行了评估,评估结果如表2、图10和图11所示。从表2、图10和图11可以看出:三参数能量方法(3SE)的寿命预测结果从标准差、分散带角度都明显比应变范围区分法(SRP)的寿命预测精度显著提高。5应变水平的影响1)PP载荷形式下该材料的循环应力响应行为不明显。CP、PC和CC载荷形式下该材料表现出明显的循环软化现象,循环应力响应行为与应变水平有明显的相关性,当应变水平高时循环软化现象明显,当应变水平低时循环软化现象不明显;2)在相同的总应变范围下,PP