本发明涉及航空材料领域，具体涉及涡轮盘用定向凝固高温合金材料刚度模型的建立方法。
背景技术：
：定向凝固高温合金是为了满足航空发动机不断提高的涡轮前燃气温度而研发出来的新型高温合金之一。所谓定向凝固，就是高温合金熔体在铸型中凝固时，通过控制晶粒的生长方向，生成几乎相互平行的柱状晶。定向凝固合金的晶粒生长方向和材料的最大主轴方向平行，其力学性能普遍优于具有一般晶界的多晶材料。目前，定向凝固合金弹性常数的获取是基于试验或者用单晶的弹性常数近似代替，第一种方法需要大量试验，成本较高，第二种方法预测精度不高，大多数情况下无法满足工程精度要求。目前，预测多晶弹性常数最简单的方法就是Voigt和Reuss平均法，Voigt基于常应变假设，给出了多晶体有效模量真实解的上限，Reuss基于等应力假设给出了多晶体有效模量真实解的下限，这种方法预测一般多晶体的弹性常数效果虽好，但由于其未考虑定向凝固合金晶界的影响，不太适合直接用于预测定向凝固合金。有研究者用自洽性理论建立了定向凝固合金弹性常数的预测方法，但其实现过程较为复杂，需反复迭代，工程运用具有一定局限性。技术实现要素：发明目的：针对上述现有技术，提出一种IC10定向凝固材料的刚度模型建立方法，能够准确预测定向凝固合金不同加载方向下的杨氏模量。技术方案：一种IC10定向凝固材料的刚度模型建立方法，包括如下步骤：1)，对IC10单晶合金沿[001]、[010]和[011]方向开展单调拉伸试验，分别获取其在该三个方向的单晶弹性材料常数D11、D12、D44；2)，对IC10定向凝固合金沿[001]和[010]方向开展单调拉伸试验，获取其沿[001]和[010]方向的弹性模量，结合matlab非线性拟合模块确定刚度模型中晶界影响参数f(T)和n；其中，f(T)表示晶界对垂直于晶界方向变形的限制程度，是一个与温度相关的模型系数，n为表示晶界影响区大小的系数；3)，运用扫描电子显微镜和透射电子显微镜获取IC10定向凝固合金的微观结构观测图，得到IC10定向凝固合金内每个晶粒的直径D和晶界宽度d；4)，基于IC10单晶合金的弹性性能，考虑加载方向和晶界的影响，建立IC10定向凝固合金的刚度模型，包括如下步骤：4-1)，建立晶粒内部的刚度模型：式中，E1是单个晶粒内部的杨氏模量，D11、D12、D44为步骤1)获得单晶弹性材料常数，α1、β1、γ1是与加载方向相关的角度系数，定义如下：α1＝-sin(ψ)β1＝-cos(ψ)sin(θ)γ1＝cos(ψ)cos(θ)式中，ψ和θ是欧拉角；4-2)，根据单个晶粒内部的杨氏模量和晶界影响参数，建立晶界影响区内的刚度模型：式中，E2是晶界影响区内的杨氏模量；4-3)，假设晶界影响区的宽度d'为d'＝nd式中，n为表示晶界影响区大小的系数，d为晶界宽度；根据Voigt和Reuss平均方法，结合晶粒内部的刚度模型和晶界影响区内的刚度模型得到式中，Evoigt和EReuss分别表示定向凝固合金杨氏模量的上下限，fv1表示单个晶粒的体积分数，fv2表示晶界影响区的体积分数；fv1和fv2是晶粒直径D和晶界宽度d的函数：fv2＝1-fv1则定向凝固合金的杨氏模量为：有益效果：通过试验研究表明，晶界对材料的性能具有一定的影响，单晶材料中不含晶界，而定向凝固材料中含有晶界，因此，在建立定向凝固材料的刚度预测模型时就必须考虑晶界的影响。单晶材料和定向凝固材料的性能均为各向异性，试验研究表明，不同加载方向下单晶的刚度不同，并且单晶材料和定向凝固材料的刚度也不一样，所以要建立IC10定向凝固合金沿不同加载方向的刚度模型，必须充分考虑加载方向和晶界对刚度的影响。本发明方法在原有单晶刚度模型的基础上定量考虑了变形过程中晶界对于其附近质点变形的限制作用，真实反应了定向凝固合金的弹性变形行为，本发明的刚度模型预测效果较好，可以准确地预测IC10定向凝固材料沿不同方向加载的杨氏模量，为材料进一步的强度和疲劳研究提供准确的弹性材料参数，对材料进一步的工程设计具有重要意义。附图说明图1为本发明方法的流程图；图2为IC10定向凝固合金沿不同加载方向的杨氏模量试验结果和预测结果图。具体实施方式下面结合附图对本发明做更进一步的解释。如图1所示，一种IC10定向凝固材料的刚度模型建立方法，包括如下步骤：1)，为了获取IC10单晶合金在室温下的弹性常数，从IC10单晶合金母料上取材，沿[001]、[010]和[011]三个方向加工成φ5mm的标准拉伸试样进行静力单调拉伸试验，分别获取其在该三个方向的单晶弹性材料常数D11、D12、D44，试验条件见表1。2)，对IC10定向凝固合金在室温下沿[001]和[010]方向开展单调拉伸试验，获取其沿[001]和[010]方向的弹性模量，结合matlab非线性拟合模块确定刚度模型中晶界影响参数f(T)和n；其中，f(T)表示晶界对垂直于晶界方向变形的限制程度，是一个与温度相关的模型系数，n为表示晶界影响区大小的系数，n表征了晶界影响区的大小。并沿[025]、[011]以及[025]方向开展单调拉伸试验，这些方向获取的弹性模量用以本发明建立模型的模型验证。试验条件见表1。表1试验条件IC10单晶拉伸试验IC10定向凝固合金拉伸试验试样尺寸φ5mmφ5mm应变速率10-3/s10-3/s加载方向[001]、[010]、[011][001]、[025]、[011]、[052]、[010]温度室温室温应变范围拉伸直至试样断裂拉伸直至试样断裂试验设备SDS-50电液伺服动静试验机SDS-50电液伺服动静试验机3)，未试验IC10定向凝固合金的试样上分别切出1.5mm厚的金属薄片，分别按照扫描电镜和透射电镜试样的制作规范，加工出可供观测的扫描电镜和透射电镜试样，运用扫描电子显微镜和透射电子显微镜获取IC10定向凝固合金的微观结构观测图，得到IC10定向凝固合金内每个晶粒的直径D和晶界宽度d。4)，基于IC10单晶合金的弹性性能，考虑加载方向和晶界的影响，建立IC10定向凝固合金的刚度模型，包括如下步骤：4-1)，建立晶粒内部的刚度模型：式中，E1是单个晶粒内部的杨氏模量，D11、D12、D44为步骤1)获得单晶弹性材料常数，α1、β1、γ1是与加载方向相关的角度系数，定义如下：α1＝-sin(ψ)β1＝-cos(ψ)sin(θ)γ1＝cos(ψ)cos(θ)式中，ψ和θ是欧拉角。4-2)，根据单个晶粒内部的杨氏模量和晶界影响参数，建立晶界影响区内的刚度模型：式中，E2是晶界影响区内的杨氏模量；f(T)通过步骤2)获得。4-3)，假设晶界影响区的宽度d'为d'＝nd式中，n为表示晶界影响区大小的系数，d为晶界宽度；根据Voigt和Reuss平均方法，结合晶粒内部的刚度模型和晶界影响区内的刚度模型得到式中，Evoigt和EReuss分别表示定向凝固合金杨氏模量的上下限，fv1表示单个晶粒的体积分数，fv2表示晶界影响区的体积分数；fv1和fv2是晶粒直径D和晶界宽度d的函数：fv2＝1-fv1则定向凝固合金的杨氏模量为：本实施例中，模型中各参数如表2所示：表2模型参数D11/GPaD12/GPaD44/GPaD/mmd/mmfn数值290.92188.76133.624004.40.357本发明在原有单晶刚度模型的基础上定量考虑了变形过程中晶界对于其附近质点变形的限制作用，真实反应了定向凝固合金的弹性变形行为，所以开发的新的刚度模型预测效果较好。在对IC10定向凝固合金的刚度模型建立完成后，用IC10沿不同方向加载的单调拉伸试验测得的杨氏模型进行验证，将预测的杨氏模量与试验结果进行对比，见图2，发现预测结果和试验结果吻合良好，验证了模型的可靠性。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3