基于内应力的Ti-6A1-4V合金低周疲劳力学行为与寿命预测能量模型研究
发布时间：2020-05-27 21:31
【摘要】：我国核电工业的快速发展对汽轮机末级长叶片长度提出了新的要求。增加叶片长度可显著提高汽轮机工作效率,但同时带来了叶片发生低周疲劳失效的风险。铸态等轴Ti-6A1-4V合金是我国新一代核电汽轮机长叶片主要用材,尽管国内外对该材料的低周疲劳性能已有大量研究报道,但有关Ti-6A1-4V合金的低周疲劳微观机制,特别是用于汽轮机末级长叶片服役温度下的疲劳力学行为与变形失效机制等仍缺乏系统深入的研究工作。本文主要针对某核电汽轮机新开发的Ti-6A1-4V合金长叶片的服役条件,从低厨疲劳过程中材料内应力变化与微观结构演化两者关联出发,来深入研究其在室温和250℃下的低周疲劳力学行为、微观机制以及疲劳寿命预测模型等。本文的主要目的是为该型汽轮机长叶片抗疲劳设计与寿命预测提供更为坚实的实验基础与理论分析模型,因此,具有重要的理论意义与工程应用前景。本文首先开展了室温和250℃下Ti-6A1-4V合金的低周疲劳试验,获得了两种温度下钛合金的内应力(背应力与摩擦应力)随疲劳循环的变化特征,并揭示出在室温和250℃下钛合金循环软化行为与内应力演化密切相关。其中,低应变幅(εpa≤0.2%)下材料的循环软化是背应力循环硬化和摩擦应力循环软化相互竞争的结果;而高应变幅(εpa0.2%)下循环软化则是背应力和摩擦应力共同软化引起。同时指出:在本文涉及的试验温度范围内,服役温度对材料摩擦应力产生显著影响,而对背应力影响较小。结合疲劳过程中Ti-6A1-4V合金显微结构观察与晶粒尺度变形行为的数字图像相关(DIC)分析,本文进一步研究了室温和250℃下钛合金内应力变化的微观机制。结果表明:低周疲劳过程中背应力的循化硬化/软化与微观结构的变形不均匀程度密切相关。在低应变幅(εpa≤0.2%)下,αp晶粒之间以及α/β两相之间的塑性变形不协调程度随循环增加而增加,并由此导致背应力循环硬化;而在高应变幅(εpa0.2%)下,αp晶粒之间和α/β两相之间的塑性变形随循环趋于均匀,从而导致背应力循环软化。据此初步分析了引起低周疲劳下Ti-6A1-4V合金Coffin-Manson曲线呈现双线性的主要原因。根据Cottrell理论与疲劳能耗原理,本文将循环塑性功Wp分离为背应力塑性功WpB和摩擦应力塑性功WpF,并研究了两者在疲劳过程中的变化特征。结果表明:在一个循环内累积背应力塑性功与循环过程中储能的演化特征具有相似性。本文结合Tanaka与Skelton经典储能模型,进一步分析了背应力塑性功与储能之间的关联,并探讨了疲劳循环中反向加载储能释放的物理机制。基于疲劳损伤过程的能量耗散以及背应力塑性功的物理意义,本文以背应力塑性功作为疲劳损伤能耗参量,建立了新的疲劳裂纹萌生能量模型与疲劳裂纹扩展能量模型。并结合室温和250℃下Ti-6A1-4V合金低周疲劳试验与裂纹扩展试验结果,验证了上述模型的预测精度。通过与现有的经典疲劳寿命预测模型进行比较,表明了本文建立的疲劳能量模型具有更高的预测精度。因此,本文基于疲劳过程中背应力塑性功耗散的寿命预测模型可应用于汽轮机长叶片低周疲劳设计和寿命预测研究。
【图文】：
１．２．１双相钕合金的塑性变形机制逡逑大量研究表明［８］，ａ＋ｐ双相钛合金的塑性变形主要源于ａ相的滑移和孪生，其中逡逑滑移占主导地位。钛合金ａ相滑移特征由其密排六方晶体结构决定，如图１．１所示，逡逑其滑移面主要包括｛０００１｝基面（ｂａｓａｌ邋ｐｌａｎｅ），邋｛１0１0｝柱面（ｐｒｉｓｍ邋ｐｌａｎｅ）和｛ｌ0Ｉｌ｝逡逑锥面（ｐｙｒａｍｉｄａｌｐｌａｎｅ）。其中柱面滑移系的临界剪切应力（ＣＲＳＳ）最低，基面次之，逡逑锥面最大。在低应变幅下，，柱面滑移和基面滑移是ａ相的主要滑移系［９，１（）］，其特征为逡逑平行分布的螺型位错线［１１］。随着应变幅的增加，平行位错线之间的间距不断降低［１２，１３］，逡逑同时会在晶界等局部应力高度集中的地方启动锥面滑移，这些锥面滑移通常以交滑逡逑移的形式出现［１３］。逡逑Ｃ逡逑＿逡逑囊；｛夬｝柱面逡逑图１．１钛合金ｃｔ相的ＨＣＰ结构及其滑移系逡逑基面和柱面各有三个滑移系，但是ａ相内真正相互独立的滑移系只有４个［１４］。逡逑根据Ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ准则，金属材料发生均R苄员湫沃辽傩枰蹈龆懒⒒葡担饩偷煎义现赂骶Я＜涞男鞅湫文芰Σ
本文编号：2684166
【图文】：
１．２．１双相钕合金的塑性变形机制逡逑大量研究表明［８］，ａ＋ｐ双相钛合金的塑性变形主要源于ａ相的滑移和孪生，其中逡逑滑移占主导地位。钛合金ａ相滑移特征由其密排六方晶体结构决定，如图１．１所示，逡逑其滑移面主要包括｛０００１｝基面（ｂａｓａｌ邋ｐｌａｎｅ），邋｛１0１0｝柱面（ｐｒｉｓｍ邋ｐｌａｎｅ）和｛ｌ0Ｉｌ｝逡逑锥面（ｐｙｒａｍｉｄａｌｐｌａｎｅ）。其中柱面滑移系的临界剪切应力（ＣＲＳＳ）最低，基面次之，逡逑锥面最大。在低应变幅下，，柱面滑移和基面滑移是ａ相的主要滑移系［９，１（）］，其特征为逡逑平行分布的螺型位错线［１１］。随着应变幅的增加，平行位错线之间的间距不断降低［１２，１３］，逡逑同时会在晶界等局部应力高度集中的地方启动锥面滑移，这些锥面滑移通常以交滑逡逑移的形式出现［１３］。逡逑Ｃ逡逑＿逡逑囊；｛夬｝柱面逡逑图１．１钛合金ｃｔ相的ＨＣＰ结构及其滑移系逡逑基面和柱面各有三个滑移系，但是ａ相内真正相互独立的滑移系只有４个［１４］。逡逑根据Ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ准则，金属材料发生均R苄员湫沃辽傩枰蹈龆懒⒒葡担饩偷煎义现赂骶Я＜涞男鞅湫文芰Σ
本文编号：2684166
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/2684166.html
