基于微观结构的双相材料疲劳损伤进程的模拟

发布时间：2017-10-13 19:24

  本文关键词：基于微观结构的双相材料疲劳损伤进程的模拟

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【摘要】：钛合金在航空发动机和大型汽轮机低压叶片制造中已经得到广泛引用。但是由于其内部存有α和β两相,在服役过程中,在微观结构尺度呈现出明显的变形不均匀行为,为其寿命设计和性能预测技术手段提出了挑战。针对以上问题,本文基于二维微观结构的有限元分析方法,系统研究了双相Ti-6Al-4V合金材料的疲劳损伤进程。主要研究工作和结论如下：(1)采用非线性随动硬化准则和各向同性硬化准则耦合的Chaboche塑性本构模型来描述双相Ti-6Al-4V合金的力学性能,并通过室温单向拉伸和低循环疲劳试验,确定了Chaboche模型中的材料性能参数；(2)以双相Ti-6Al-4V的真实显微结构SEM图像为模板,建立了二维微观模型。同时,对二维模型进行了微观应力和应变分布及其演化过程的模拟。基于微观结构的有限元模拟结果表明：在单向拉伸进程中,由于α和β相塑性变形的差异导致了在α/β界面存在较大的塑性应变梯度和应力梯度,界面是易发生孔洞形核或裂纹萌生的危险区域。该模拟结果通过试验得到了验证；(3)采用基于微观结构的有限元方法,研究了Ti-6Al-4V合金疲劳进程中的损伤累积行为。结果表明：随着应变幅值、平均应变的增加和应变比的减小,塑性失效带贯穿整个模型所需的循环周次降低,即双相Ti-6Al-4V越容易发生疲劳破坏。
【关键词】：双相材料 有限元分析 失效机制 微观结构模型
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.23
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-17
• 1.2.1 双相Ti-6Al-4V钛合金的发展及应用概况11-12
• 1.2.2 微观结构的有限元建模12-16
• 1.2.3 双相材料变形行为的研究现状16-17
• 1.3 现有研究存在的问题17-18
• 1.4 课题研究的主要内容18-19
• 第2章 Ti-6Al-4V力学试验及循环塑性本构模型参数的确定19-32
• 2.1 引言19-20
• 2.2 主控方程20-21
• 2.2.1 屈服准则20-21
• 2.2.2 塑性流动法则21
• 2.3 硬化准则21-22
• 2.3.1 非线性随动硬化准则21-22
• 2.3.2 各向同性硬化准则22
• 2.4 Ti-6Al-4V钛合金单向拉伸和低周循环变形试验研究22-25
• 2.4.1 试验材料及尺寸22-23
• 2.4.2 试验结果及分析23-25
• 2.5 模型参数的确定25-31
• 2.5.1 单相α和β的力学性能26
• 2.5.2 弹性参数的确定26-27
• 2.5.3 非线性随动硬化参数的确定27-28
• 2.5.4 各向同性硬化参数的确定28-30
• 2.5.5 材料参数的最终值30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 双相Ti-6Al-4V微观应力和应变分布及演化32-41
• 3.1 引言32
• 3.2 有限元模型的建立32-34
• 3.3 试验结果和预测结果的对比34-35
• 3.4 微观结构的应力和应变分布35-40
• 3.4.1 应变云图及局部塑性应变的演化37-38
• 3.4.2 应力云图及局部应力的演化38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 双相Ti-6Al-4V单向拉伸行为的数值模拟41-51
• 4.1 引言41
• 4.2 原位拉伸试验41-43
• 4.3 边界条件43-44
• 4.4 单向拉伸行为的失效模式44-50
• 4.4.1 原始材料单向拉伸行为的失效模式44-47
• 4.4.2 热处理后材料单向拉伸行为的失效模式47-50
• 4.5 网格敏感性分析50
• 4.6 本章小结50-51
• 第5章 双相Ti-6Al4V疲劳行为的数值模拟51-60
• 5.1 引言51-52
• 5.2 疲劳试验结果与预测结果的对比52-53
• 5.3 双相Ti-6Al-4V疲劳的影响因素53-59
• 5.3.1 应变幅值对疲劳的影响54-56
• 5.3.2 平均应变对疲劳的影响56-58
• 5.3.3 应变比对疲劳的影响58-59
• 5.4 本章小结59-60
• 第6章 总结与展望60-63
• 6.1 本文的主要研究结论60-61
• 6.2 本文的主要创新点61
• 6.3 研究展望61-63
• 参考文献63-71
• 致谢71-72
• 攻读硕士学位期间的科研情况72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 江和甫;;燃气涡轮发动机的发展与制造技术[J];航空制造技术;2007年05期

2 郭素娟;康国政;;SiC_p/6061Al合金复合材料循环变形行为的有限元模拟[J];金属学报;2006年10期

3 任淮辉;李旭东;;钛合金微结构力学计算与虚拟失效分析[J];郑州大学学报(工学版);2009年01期

4 Park Joongkeun;;Numerical simulation of the stress-strain curve and the stress and strain distributions of the titanium-duplex alloy[J];Rare Metals;2008年05期

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本文编号：1026663