镍基高温合金热机械疲劳行为及寿命预测方法研究

作     者：刘飞龙 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方磊

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：镍基高温合金 本构方程 等温低周疲劳 热机械疲劳 Chaboche粘塑性统一本构模型 寿命预测方法 三参数幂函数能量法 

摘      要：航空发动机热端部件处于热载荷与机械载荷的工作环境中,其热机械疲劳严重影响飞机的安全。因此对热机械疲劳问题的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文通过建立等温与变温条件下的Chaboche粘塑性统一本构模型,预测镍基高温合金IN718循环应力-应变关系;并通过改进三参数幂函数能量法,建立热机械疲劳寿命预测模型。本文主要研究成果如下:(1)建立等温与变温条件下Chaboche模型。根据逐级法确定模型在各等温温度下模型初始参数并利用遗传算法优化,而后将模型参数拟合成温度相关函数应用于变温Chaboche模型中。基于所建立本构模型进行等温与变温条件下有限元模拟。(2)开展温度、应变幅、加载速率、非对称加载对IN718合金等温循环应力-应变关系影响研究。研究表明:在拉-压对称加载时,IN718合金迟滞回线关于原点对称,并且表现为先循环软化而后稳定的响应特征;随着温度的增加,IN718合金抵抗变形的能力下降,并且应变水平越高,变形所消耗能量越多,而加载速率的增加使得循环应力范围增加;非对称加载时,IN718合金迟滞回线不再关于原点对称,应变水平高的半周循环软化程度较大。(3)开展IN718合金在变温条件下循环应力-应变关系研究。研究表明:IN718合金在变温条件下的应力要高于等温条件下的应力;IN718合金迟滞回线不再关于原点对称,平均应力总是指向低温半周,非弹性应变主要发生于高温半周;合金呈现循环软化,但无明显循环稳定阶段;随着加载速率增加,循环应力响应减小。(4)通过引入总应变能,改进了三参数幂函数能量法,发展了一种适用于IN718合金的热机械疲劳寿命预测的方法。研究表明:弹性应变对热机械疲劳寿命也有重要影响,因此引入包含弹性应变与非弹性应变的总应变能改进三参数幂函数能量法。改进后,模型综合考虑了应变-温度相位关系与温度范围对热机械疲劳性能的影响,全面反映了迟滞回线的不对称性,能较准确地预测IN718合金热机械疲劳寿命。