一种含夹杂物粉末高温合金裂纹萌生寿命预测方法与流程

本发明属于寿命预测技术，涉及一种含夹杂物粉末高温合金裂纹萌生寿命预测方法。

背景技术：

航空发动机的设计和制造是现代航空器的关键技术，其发展水平代表着国家航空工业的整体水平。涡轮盘是航空发动机的关键部件，工作时承受较高的离心载荷、热载荷、气动载荷、振动载荷和环境介质的腐蚀氧化作用，对材料性能要求严苛。粉末高温合金是航空发动机涡轮盘的理想材料，它具有非常优异的性能：粉末细小，冷速极快，合金成分均匀，无宏观偏析，因而制件性能稳定，热加工变形性能较好。然而，由于其工艺特点，颗粒中的夹杂物不可避免。这些夹杂物对粉末高温合金的力学性能有显著影响，易成为裂纹源，大大降低材料的疲劳性能，严重影响和制约合金的发展应用。目前，国内国际对于含夹杂物粉末高温合金裂纹萌生机理和寿命预测方法尚缺乏系统全面的研究。因此，无论是在粉末高温合金材料的失效机理研究还是在其工程应用中，建立描述含夹杂物粉末高温合金的裂纹扩展寿命预测理论模型是非常必要的。“镍基粉末高温合金中夹杂物导致裂纹萌生和扩展行为的研究”，曾燕屏等，《材料工程》,2005(3):10-13，采用扫描电镜原位拉伸和原位疲劳的方法,跟踪观察了人工植入Al2O3夹杂物的镍基粉末高温合金P/M Rene95中夹杂物导致裂纹萌生、扩展乃至断裂的过程。扫描电镜原位拉伸和原位疲劳的方法一方面成本较高，另一方面该方法只能通过断口反推寿命而无法进行预测。

技术实现要素：

本发明的目的是：提出一种含夹杂物粉末高温合金裂纹萌生寿命预测方法，以便建立一套可以预测含夹杂物粉末高温合金裂纹萌生寿命的方法，预测粉末高温合金制件的使用寿命，建立粉末高温合金制件的疲劳失效性能判据，进而为航空发动机部件设计过程中提供安全性评估依据。

本发明的技术方案是：一种含夹杂物粉末高温合金裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，寿命预测的步骤如下：

1、定义描述夹杂物周围材料裂纹萌生进程的损伤变量场D(xi,N)：

式[1]中，E为粉末高温合金的弹性模量，ED为局部细观缺陷造成损伤后的宏观等效模量；损伤变量场D的取值范围从0至1，当其为0时表示材料没有开始损伤，当其为1时表示有宏观裂纹萌生；xi表示空间位置坐标，N为循环周次；此变量场为一标量场，是循环周次和空间位置的函数，其在材料不同位置的分布随时间变化；

2、定义表征参量Y为如下应变分量的函数：

式中，W为应变能密度，μ为泊松比，εx，εy，εz，γxy，γyz，γzx为应变分量；

3、定义循环特征参数R：

若在一个循环过程中，表征参量只有一个峰值，

则

若在一个循环过程中，表征参量有两个峰值，

则

4、定义损伤变量场变化率方程：

式中，a和m为材料参数，需要利用粉末高温合金标准试样的高温低周疲劳实验数据，由最小二乘法拟合确定；

5、裂纹萌生寿命预测：

将上述损伤变量场变化率方程嵌入有限元软件Ansys或Abaqus中，在有限元软件中安照实际结构的几何尺寸和材料参数建立相应的模型，并施加载荷边界条件，求解时在每一载荷周次步长内逐单元计算损伤场变量并据此更新单元的材料参数，迭代计算直至D在局部单元达到1时跳出计算，统计步长就可以预测出材料的裂纹萌生寿命。

本发明的优点是：提出了一种含夹杂物粉末高温合金裂纹萌生寿命预测方法，建立了一套可以预测含夹杂物粉末高温合金裂纹萌生寿命的方法，能预测粉末高温合金制件的使用寿命，建立了粉末高温合金制件的疲劳失效性能判据，进而为航空发动机部件设计过程中提供了安全性评估依据。

附图说明

图1a是指一个循环过程中，表征参量只有一个峰值，横坐标为时间，纵坐标为表征参量。

图1b是指一个循环过程中，表征参量有两个峰值，横坐标为时间，纵坐标为表征参量。

图2是有限元软件中建立的含圆形缺陷的二维模型。

图3是标准实验数据和在对数坐标下的拟合曲线，横坐标为最大应变载荷对数值，纵坐标为寿命对数值。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。一种含夹杂物粉末高温合金裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，寿命预测的步骤如下：

1、定义描述夹杂物周围材料裂纹萌生进程的损伤变量场D(xi,N)：

式[1]中，E为粉末高温合金的弹性模量，ED为局部细观缺陷造成损伤后的宏观等效模量；损伤变量场D的取值范围从0至1，当其为0时表示材料没有开始损伤，当其为1时表示有宏观裂纹萌生；xi表示空间位置坐标，N为循环周次；此变量场为一标量场，是循环周次和空间位置的函数，其在材料不同位置的分布随时间变化；

2、定义表征参量Y为如下应变分量的函数：

式中，W为应变能密度，μ为泊松比，εx，εy，εz，γxy，γyz，γzx为应变分量；

3、定义循环特征参数R：

若在一个循环过程中，表征参量只有一个峰值，

则

若在一个循环过程中，表征参量有两个峰值，

则

4、定义损伤变量场变化率方程：

式中，a和m为材料参数，需要利用粉末高温合金标准试样的高温低周疲劳实验数据，由最小二乘法拟合确定；

5、裂纹萌生寿命预测：

将上述损伤变量场变化率方程嵌入有限元通用软件Ansys或Abaqus中，在有限元软件中安照实际结构的几何尺寸和材料参数建立相应的模型，并施加载荷边界条件，求解时在每一载荷周次步长内逐单元计算损伤场变量并据此更新单元的材料参数，迭代计算直至D在局部单元达到1时跳出计算，统计步长就可以预测出材料的裂纹萌生寿命。

本发明的工作原理是：在粉末高温合金承受交变载荷时，由于夹杂物的存在必然导致夹杂物周边产生局部应力应变集中，使得此区域内实际应力应变大于远场的名义应力应变。故夹杂物的存在加速了裂纹萌生过程，缩短了材料使用的疲劳寿命。

实施例

待预测寿命的构件为一个尺寸为长宽均是10毫米的平板形构件，设在其中心存在一个半径R为100微米的圆形氧化铝夹杂物，其几何形式如图2所示。构件基体材料为FGH95粉末高温合金，其弹性模量为E＝193GPa，泊松比为0.3；中心夹杂物设为粉末高温合金常见的氧化铝硬球状夹杂物，其弹性模量E2＝400GPa，泊松比0.3。设该构件受到远场单轴拉伸交变载荷作用，拉伸最大应变为0.8％，循环特征为脉动载荷，即最大远场拉伸应变为0.8％，而最小应变为0。

1、定义描述夹杂物周围材料裂纹萌生进程的损伤变量场D(xi,N)：

2、定义表征参量Y为如下应变分量的函数：

3、定义循环特征参数R：

根据发明内容中循环特征参数R的定义及实际加载，其取值应为R＝1；

4、定义损伤变量场变化率方程：

标准实验数据和在对数坐标下的拟合曲线如图3所示。实施例的损伤参数已经由不含夹杂物的标准光滑疲劳试件的实验数据拟合确定为m＝5.594；a＝5.206×10^-8；

5、裂纹萌生寿命预测：

基于上述步骤，将实施例所述构件在数值计算软件中建立相应模型并计算其裂纹萌生寿命。实施例使用的是有限元法的通用软件Abaqus。

几何建模：将待计算裂纹萌生寿命的构件按设计几何尺寸与材料性能在计算软件中建立相应的几何模型，如图2所示；

划分网络：在上述方法建立的几何模型基础上划分网络，为保证计算精度，实施例中选择了8节点二次平面单元，网格划分为四边形结构网格。为控制计算规模并保证关键区域计算精度，采取在缺陷处局部加密，然后经过渡区到基体逐渐稀疏的方式划分网格；

边界条件施加：在上述方法划分网络的基础上施加相应边界条件。在实施例中，边界条件为远场施加位移，根据试件尺寸和载荷情况计算为上下边界沿拉伸方向各位移0.04mm；

计算结果提取：在上述各方法实施后计算全场应力应变的结果，并在后处理程序中调取应变结果；

迭代计算萌生寿命结果:上述方法包括在每一计算步长内，提取全场应力应变数据并逐单元按式[2]计算表征参量Y，再根据式[6]公式计算损伤变量场变化率dD/dN，可以得到此刻构件内全场的损伤值；由每个单元的损伤值根据式[1]更新单元的材料参数，进入下一步长计算。迭代计算直至损伤变量场D在裂纹萌生处的值达到1时跳出计算。统计计算迭代次数就可以计算出材料的裂纹萌生寿命了。在实施例中，按此计算的裂纹萌生寿命为N＝6500周次。

本实施例，具有如下有益效果：

(1)在本发明中，可以根据已知结构形式和载荷情况以及夹杂物特征，定量计算粉末高温合金的裂纹萌生寿命；

(2)利用本发明给出的计算公式嵌入数值计算软件进行二次开发，可以方便快捷地得到裂纹萌生过程的损伤变量场变化过程图示；

(3)不必实施过多实验，仅通过理论计算即可得到裂纹萌生寿命结果，节省设计成本；

(4)本发明可以为粉末高温合金构件在含夹杂物情况下的安全性评估提供参考。