一种考虑微观组织影响的低周疲劳寿命预测方法技术

本发明专利技术提供一种考虑微观组织影响的低周疲劳寿命预测方法，解决了传统的寿命模型没有基于微观组织来预测低周疲劳寿命的技术问题，步骤：(1)将镍基高温合金加工成标准的低周疲劳试样；(2)在一定的温度和应变幅工况下，开展镍基高温合金低周疲劳试样的低周疲劳实验，并获取疲劳测试过程中的疲劳应力、弹性应变、塑性应变和低周疲劳寿命；(3)进行光镜金相组织观察试验和透射电镜微观组织观察试验，统计计算基体相的平均晶粒尺寸和析出相的等效半径与体积分数；(4)基于三参数寿命模型，建立考虑微观组织影响的低周疲劳寿命预测模型，该模型可基于微观组织预测镍基高温合金的低周疲劳寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑微观组织影响的低周疲劳寿命预测方法
本专利技术属于低周疲劳寿命预测方法
，具体地说是涉及一种考虑微观组织影响的低周疲劳寿命预测方法。
技术介绍
镍基高温合金在高温条件下表现出较高的高温强度、出色的抗氧化能力、优秀的抗燃气腐蚀能力、良好的蠕变性能、卓越的疲劳性能和断裂韧性等，被广泛地应用于航空航天等领域，成为其热端部件如涡轮盘、叶片等的关键材料。伴随着航空事业的发展，推重比和涡轮前燃气温度及压气机增压比的不断提高是发动机发展的一个重要趋势，这对应用在航空发动机涡轮盘等高温部件的材料镍基高温合金力学性能提出了更加严格的要求。随着高温合金应用领域的增加以及复杂环境服役条件的提高，具有优异的综合性能的镍基高温合金得到了广泛的应用和关注。在实际服役过程中，比如频繁的起飞与降落和高温环境等，合金容易发生低周疲劳损伤。伴随着燃气轮机和喷气式发动机的发展，对其结构设计提出了更高的要求，促进了镍基高温合金材料低周疲劳性能的研究。因此，开展镍基高温合金低周疲劳损伤与断裂机制的研究具有非常重要的意义。镍基高温合金低周疲劳性能的影响因素分为两部分，一方面是内因，即合金的微观组织，包括基体相晶粒尺寸和析出相尺寸与含量等；另一方面是外因，包括温度、应变幅、和服役环境等。这些因素均对镍基高温合金的高温低周疲劳循环应力响应、变形模式及疲劳寿命有着重要的影响，可以说疲劳性能是高温合金研究的薄弱环节。微观组织对镍基高温合金低周疲劳的抗性有重要影响。现有的研究主要集中在微观组织对低周疲劳性能与裂纹萌生机制的影响，并未建立疲劳寿命与微观组织之间的定量关系。建立疲劳寿命与微观组织之间的定量关系对于合金热处理制度的选择、合金实际服役时的寿命预测和工业中合金应用的成本节约、安全应用等具有关键性的意义。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种考虑微观组织影响的低周疲劳寿命预测方法，该方法能通过观测统计微观组织中基体相的平均晶粒尺寸、析出相(γ″、γ′)的等效半径和体积分数来预测镍基高温合计的低周疲劳寿命。本专利技术包括如下步骤：(1)将镍基高温合金加工为标准的低周疲劳试样；(2)在一定的温度和应变幅工况下，开展镍基高温合金低周疲劳试样的低周疲劳测试，并获取疲劳测试过程中的疲劳应力、弹性应变、塑性应变和低周疲劳寿命；(3)进行光镜金相组织观察试验和透射电镜微观组织观察试验，用光学显微镜和透射电镜对镍基高温合金进行微观组织(基体相和析出相)观测，分别通过金相图和透射图与图像处理软件配合使用的方式统计计算得出基体相的平均晶粒尺寸和析出相的等效半径与体积分数；(4)基于三参数寿命模型(Nf(△εt-△ε0)m＝c)，建立考虑微观组织影响的低周疲劳寿命预测方法，改进后的三参数寿命模型表达式如下：该模型中，多项式表示镍基高温合金基体相引起的晶界强化；多项式M(τAPB+τMod)表示镍基高温合金析出相引起的析出相强化，析出相强化是通过耦合位错强化模型τAPB和模量强化模型τMod来表示的，其中耦合位错强化模型τAPB可以是弱耦合位错强化模型τWCD,APB或者是强耦合位错强化模型τSCD,APB，两个模型二选一；τWCD,APB，τSCD,APB，τMod模型具体表达式如下：该模型中，析出相可以是γ′，也可以是γ′+γ″；当析出相为γ′+γ″时，应考虑两种析出相对该模型的综合作用；E为合金的弹性模量；σ0为摩擦应力；k为与镍基高温合金相关的因子；M表示Taylor因子；γAPB表示APB能量；b表示位错的伯氏矢量；G表示剪切模量，ΔG表示基体相和析出相(γ″、γ′)剪切模量的差值；T表示基体中位错的线张力，T＝Gb2/2；c、m、P是通过最小二乘法拟合计算出的参数；实验参数是Nf、Δεt，Nf为低周疲劳寿命，Δεt为总应变幅；d为基体相的平均晶粒尺寸；r表示析出相(γ″、γ′)的等效半径；FV表示析出相(γ″、γ′)的体积分数。优选的，镍基高温合金为航空发动机燃烧室、涡轮盘、叶片、导向叶片的一种。优选的，步骤(2)低周疲劳试验参考标准GB/T15248-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》。优选的，所述步骤(3)光镜金相组织观察试验对镍基高温合金采用200#-1000#金相水砂纸进行机械研磨，再利用抛光设备进行机械抛光；械抛光完成后进行化学腐蚀。优选的，步骤(3)透射电镜微观组织试验中采用10mlHClO4+190mlC2H5OH电解液对镍基高温合金进行双喷减薄；所述步骤(3)图像处理软件为ImageProPlus软件。优选的，步骤(4)析出相为γ′时，所述修正的三参数寿命模型表达式如下：优选的，步骤(4)析出相为γ′+γ″时，所述修正的三参数寿命模型表达式如下：本专利技术的有益效果是：(1)用于预测低周疲劳寿命的Manson-Coffin寿命模型、Ostergren能量法寿命模型和三参数寿命模型，这三个寿命预测模型对于纯金属等单相材料低周疲劳寿命的预测精度整体而言都较高。然而，这三个低周疲劳寿命预测模型均未考虑微观组织对疲劳性能及疲劳寿命的影响，尤其对于多相镍基高温合金的疲劳寿命预测存在一定的不足。这三个低周疲劳寿命模型应用于不同微观组织镍基高温合金的低周疲劳寿命预测时，同一个寿命模型需要多个表达式来分别完成不同微观组织镍基高温合金的寿命预测。因而可以推断出对于不同组织的镍基高温合金而言，这三个寿命模型的实际应用比较有限，只有对不同组织的合金分别进行大量的低周疲劳测试后才可用于预测该组织合金在不同服役条件下的低周疲劳寿命，这样无异于增加了昂贵的测试费用和耗材。(2)本专利技术提供一种考虑微观组织影响的低周疲劳寿命预测方法，该寿命模型考虑了基体相的平均晶粒尺寸、析出相(γ″、γ′)的等效半径和体积分数对镍基高温合金低周疲劳寿命的影响。考虑微观组织影响的疲劳寿命模型在预测镍基高温合金低周疲劳寿命时预测精度较高，误差分布比较均匀，具有普遍的适用性。这对于合金热处理制度的选择、合金实际服役时的寿命预测和工业中合金应用的成本节约等具有关键性的意义。附图说明图1是Inconel718镍基高温合金经过热处理制度后的金相图；图2是Inconel718镍基高温合金经过热处理制度后的透射图；图3是Inconel718镍基高温合金疲劳寿命的实验值与寿命模型计算值的对比结果示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术提供的一种考虑微观组织影响的低周疲劳寿命预测方法。实验材料：选择航空发动机燃烧室、涡轮盘及叶片和导向叶片等关键热端部件常用材料Inconel718镍基高温合金，该合金的成分为Ni52.80,Cr18.73,Nb5.24,Mo3.02,Al0.52,Ti0.95,C0.026,Co0.03，Fe余量。通过机械加工将Inconel718镍基高温合金加工成标准的低周疲劳试样6个，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑微观组织影响的低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)将镍基高温合金加工为标准的低周疲劳试样作；/n(2)在一定的温度和应变幅工况下，开展镍基高温合金低周疲劳试样的低周疲劳测试，并获取疲劳测试过程中的疲劳应力、弹性应变、塑性应变和低周疲劳寿命；/n(3)进行光镜金相组织观察试验和透射电镜微观组织观察试验，用光学显微镜和透射电镜对镍基高温合金进行微观组织(基体相和析出相)观测，分别通过金相图和透射图与图像处理软件配合使用的方式统计计算得出基体相的平均晶粒尺寸和析出相的等效半径与体积分数；/n(4)基于三参数寿命模型(N

【技术特征摘要】
1.一种考虑微观组织影响的低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将镍基高温合金加工为标准的低周疲劳试样作；
(2)在一定的温度和应变幅工况下，开展镍基高温合金低周疲劳试样的低周疲劳测试，并获取疲劳测试过程中的疲劳应力、弹性应变、塑性应变和低周疲劳寿命；
(3)进行光镜金相组织观察试验和透射电镜微观组织观察试验，用光学显微镜和透射电镜对镍基高温合金进行微观组织(基体相和析出相)观测，分别通过金相图和透射图与图像处理软件配合使用的方式统计计算得出基体相的平均晶粒尺寸和析出相的等效半径与体积分数；
(4)基于三参数寿命模型(Nf(△εt-△ε0)m＝c)，建立考虑微观组织影响的低周疲劳寿命预测方法，改进后的三参数寿命模型表达式如下：



该模型中，多项式表示镍基高温合金基体相引起的晶界强化；多项式M(τAPB+τMod)表示镍基高温合金析出相引起的析出相强化，析出相强化是通过耦合位错强化模型τAPB和模量强化模型τMod来表示的，其中耦合位错强化模型τAPB可以是弱耦合位错强化模型τWCD,APB或者是强耦合位错强化模型τSCD,APB，两个模型二选一；
τWCD,APB，τSCD,APB，τMod模型具体表达式如下：









该模型中，析出相可以是γ′，也可以是γ′+γ″；当析出相为γ′+γ″时，应考虑两种析出相对该模型的综合作用；
E为合金的弹性模量；σ0为摩擦应力；k为与镍基高温合金相关的因子；M表示Taylor因子；γAPB表示APB能量；b表示位错的伯氏矢量；G表示剪切模量，ΔG表示基体相和析出相(γ″、γ′)剪切模量的差值；T表示基体中位...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏，朱强，王传杰，陈刚，郭斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37