一种反映截面尺寸效应的蠕变寿命-壁厚关系预测方法技术

本发明专利技术涉及一种反映截面尺寸效应的蠕变寿命

【技术实现步骤摘要】
一种反映截面尺寸效应的蠕变寿命
‑
壁厚关系预测方法


[0001]本专利技术涉及一种反映截面尺寸效应的蠕变寿命
‑
壁厚关系预测方法，主要用于镍基高温合金蠕变寿命
‑
壁厚关系预测，为镍基高温合金构件(如镍基高温合金涡轮叶片)寿命设计与评估奠定基础，属于材料高温力学性能评估及航空发动机


技术介绍

[0002]镍基高温合金具有优良的高温性能，是制造先进航空发动机涡轮叶片的重要材料。随着航空发动机涡轮前温度的不断提高，涡轮叶片逐渐由实心结构演化为空心薄壁结构。涡轮叶片的薄壁区域通常是其薄弱环节，而空心薄壁结构力学性能通常不同于传统实心标准件的力学性能。因此，建立反映截面尺寸效应的力学性能
‑
壁厚关系预测方法，准确评估空心薄壁结构的力学性能是十分必要的。
[0003]对于涡轮叶片的重要失效模式——蠕变，当前常用的寿命
‑
壁厚关系预测方法可以分为两类：
[0004](1)第一类方法：试件高温蠕变断裂过程与表面氧化层的产生有密切关系，氧化层的形成会使试件的有效承载面积减少、承受的有效应力增加，且表面氧化通常对较薄试件影响更大；通过量化表面氧化对不同壁厚标准件的影响规律、建立有效应力与壁厚的关系，并将有效应力带入传统蠕变寿命模型中，可以实现蠕变寿命
‑
壁厚关系的预测(张丽,于慧臣,郭广平,等.[001]取向DD6单晶合金的薄壁试样持久性能与断裂行为[J].航空动力学报,2019,34:122
‑
129)。
[0005](2)第二类方法：直接建立壁厚尺寸相关的蠕变寿命模型或蠕变损伤模型，从而实现蠕变寿命
‑
壁厚关系的预测(韩建锋.镍基单晶合金蠕变试样的尺寸效应及筏化的研究[D].西北工业大学,2011)。
[0006]以上两类方法均需要在相同试验条件下开展不同壁厚(通常不少于3种)的标准件蠕变试验，获取不同壁厚标准件蠕变试验寿命，并通过拟合试验结果获取模型参数。上述方法试验量较大、参数较多，其工程应用受到限制。

技术实现思路

[0007]本专利技术技术解决方案：一种新的反映截面尺寸效应的蠕变寿命
‑
壁厚关系预测方法，该方法基于壁厚为δmm的标准件蠕变试验寿命和壁厚为δ
’
mm(δ
’
>δ)的标准件蠕变试验寿命即可实现壁厚在δmm～δ
’
mm之间的标准件的蠕变寿命的准确预测，无需开展大量试验；此外，该方法可以结合线性损伤累积理论使用，在不使用任何拟合参数的条件下，准确预测不同壁厚标准件蠕变寿命
‑
壁厚关系。具体实现步骤如下：
[0008]第一步，对于具有任意壁厚尺寸的标准件，在蠕变寿命预测过程中，将整个标准件分为区域1(材料表面区域)和区域2(材料内部区域)两部分。其中，区域1的厚度由壁厚最小标准件确定，区域2的厚度为标准件总厚度与区域1厚度之差。
[0009]第二步，开展最小壁厚(通常不大于0.5mm)标准件蠕变试验和最大壁厚(通常不小
于2.5mm)标准件蠕变试验，获取最小壁厚标准件蠕变试验寿命和最大壁厚标准件蠕变试验寿命。
[0010]第三步，判断最小壁厚标准件的蠕变试验寿命是否小于最大壁厚标准件的蠕变试验寿命。
[0011](1)若最小壁厚标准件的蠕变试验寿命小于最大壁厚标准件的蠕变试验寿命，则说明材料具有薄壁效应(属于截面尺寸效应)，此时采用基于区域划分的蠕变失效准则1预测蠕变寿命
‑
壁厚关系。基于区域划分的蠕变失效准则1认为：具有薄壁效应的材料，区域1损伤D1大于区域2损伤D2，整个标准件的总损伤速率是区域1损伤速率和区域2损伤速率的面积平均值，即：
[0012][0013]其中，D为整个标准件的总损伤，S1、S2和S分别是区域1、区域2和整个标准件的总面积，t为时间。当损伤D1、D2服从Miner线性损伤累积理论时，则dD1/dt＝D1/t＝K1、dD2/dt＝D2/t＝K2，K1、K2均为常数，积分公式(6)可得：
[0014][0015]此时，基于区域划分的蠕变失效准则1可以表示为：
[0016][0017]其中，D
cri
为整个标准件的临界损伤(当整个标准件的总损伤达到临界损伤时，标准件发生断裂)。通常材料所承受的真实应力达到极限拉伸强度时将发生断裂。此时，临界损伤D
cri
与宏观应力σ的关系如下：
[0018][0019]其中，σ
b
为极限拉伸强度。基于公式(9)，临界损伤D
cri
可以表示为：
[0020][0021]根据Miner线性损伤累积理论和公式(8)，D1、D2和t之间的关系可以分别通过壁厚最小标准件以及壁厚最大标准件的蠕变试验寿命来表示：
[0022][0023][0024]其中，和是壁厚最小标准件以及壁厚最大标准件的蠕变寿命，和S
st
是壁厚最大标准件区域1面积、壁厚最大标准件区域2面积和壁厚最大标准件的总面积。需要指出的是，本例在描述基于区域划分的蠕变失效准则1时采用了Miner线性损伤累积理论，但是这并不意味着只能通过Miner线性损伤累积理论建立基于区域划分的蠕变失效准
则1，采用非线性累积理论等方法同样可以建立基于区域划分的蠕变失效准则1。
[0025](2)若最小壁厚标准件的蠕变试验寿命大于最大壁厚标准件的蠕变试验寿命，则说明材料具有反常薄壁效应(属于截面尺寸效应)，此时采用基于区域划分的蠕变失效准则3预测蠕变寿命
‑
壁厚关系。基于区域划分的蠕变失效准则3认为：具有反常薄壁效应的材料，区域1损伤D1小于区域2损伤D2，整个标准件的总损伤速率是区域1损伤速率和区域2损伤速率的面积平均值，即：
[0026][0027]当损伤D1、D2服从Miner线性损伤累积理论时，积分公式(13)可得：
[0028][0029]此时，基于区域划分的蠕变失效准则3可以表示为：
[0030][0031]此时，D1、D2与t之间的关系仍可用公式(11)和公式(12)描述。需要指出的是，本例在描述基于区域划分的蠕变失效准则3时采用了Miner线性损伤累积理论，但是这并不意味着只能通过Miner线性损伤累积理论建立基于区域划分的蠕变失效准则3，采用非线性累积理论等方法同样可以建立基于区域划分的蠕变失效准则3。
[0032]第四步，判断区域1损伤、区域2损伤是否达到1。
[0033](1)若最小壁厚标准件蠕变试验寿命小于最大壁厚标准件蠕变试验寿命，基于第三步中不同壁厚标准件的蠕变寿命
‑
壁厚关系预测结果，单独计算不同壁厚标准件区域1损伤是否达到1。若区域1损伤没有达到1，则第三步中不同壁厚标准件的蠕变寿命
‑
壁厚关系预测结果即为最终预测结果；若区域1损伤达到1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种反映截面尺寸效应的蠕变寿命
‑
壁厚关系预测方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤1)：对于具有任意壁厚尺寸的标准件，在蠕变寿命预测过程中，将整个标准件分为区域1即材料表面区域和区域2即材料内部区域两部分，其中，区域1的厚度由壁厚最小标准件确定，区域2的厚度为标准件总厚度与区域1厚度之差；步骤2)：开展最小壁厚标准件蠕变试验和最大壁厚标准件蠕变试验，获取最小壁厚标准件蠕变试验寿命和最大壁厚标准件蠕变试验寿命；所述最小壁厚通常不大于0.5mm，最大壁厚通常不小于2.5mm；步骤3)：判断最小壁厚标准件的蠕变试验寿命是否小于最大壁厚标准件的蠕变试验寿命；(1)若最小壁厚标准件的蠕变试验寿命小于最大壁厚标准件的蠕变试验寿命，则说明材料具有薄壁效应(属于截面尺寸效应)，此时采用基于区域划分的蠕变失效准则1预测蠕变寿命
‑
壁厚关系；(2)若最小壁厚标准件的蠕变试验寿命大于最大壁厚标准件的蠕变试验寿命，则说明材料具有反常薄壁效应(属于截面尺寸效应)，此时采用基于区域划分的蠕变失效准则3预测蠕变寿命
‑
壁厚关系；步骤4)：判断区域1损伤、区域2损伤是否达到1；(1)若最小壁厚标准件蠕变试验寿命小于最大壁厚标准件蠕变试验寿命，基于步骤3)中不同壁厚标准件的蠕变寿命
‑
壁厚关系预测结果，单独计算不同壁厚标准件区域1损伤是否达到1；若区域1损伤没有达到1，则步骤3)中不同壁厚标准件的蠕变寿命
‑
壁厚关系预测结果即为最终预测结果；若区域1损伤达到1，则应采用基于区域划分的蠕变失效准则2更新步骤3)中的蠕变寿命
‑
壁厚关系预测结果，更新后的预测结果为最终预测结果；(2)若最小壁厚标准件蠕变试验寿命大于最大壁厚标准件蠕变试验寿命，基于步骤3)中不同壁厚标准件的蠕变寿命
‑
壁厚关系预测结果，单独计算不同壁厚标准件区域2损伤是否达到1；若区域2损伤没有达到1，则步骤3)中不同壁厚标准件的蠕变寿命
‑
壁厚关系预测结果即为最终预测结果；若区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，胡殿印，王荣桥，李明睿，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：