定向凝固鎳基高溫合金缺口低循環(huán)疲勞性能及壽命預(yù)測(cè)

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1、航空學(xué)報(bào)JuI．252013V01．34No．71596，1604ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．eduC13hkxb@buaa．edu．cn定向凝固鎳基高溫合金缺13低循環(huán)疲勞性能及壽命預(yù)測(cè)楊曉光1’*，黃佳1，王井科2，胡曉安1，石多奇11．北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京10019l2．中國(guó)人民解放軍95899部隊(duì)，北京100097摘要：針對(duì)定向凝固(DS)鎳基高溫合金DZl25

2、開(kāi)展了850℃條件下不同缺口形式和不同理論應(yīng)力集中系數(shù)(K。)下的低循環(huán)疲勞(LCF)試驗(yàn)研究。利用彈塑性有限元分析缺口根部的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，并將傳統(tǒng)臨界距離理論(TCD)及其K。修正形式引入SWT參數(shù)，以此開(kāi)展缺口試件LCF壽命預(yù)測(cè)研究。結(jié)果表明：高溫LCF強(qiáng)度同缺口幾何形狀關(guān)聯(lián)不大，但具有強(qiáng)的K，相關(guān)性；無(wú)論是將尖銳缺口試件作為校準(zhǔn)試件還是對(duì)臨界距離進(jìn)行平均處理，傳統(tǒng)TCD的點(diǎn)方法(PM)及線方法(LM)其壽命預(yù)測(cè)大于5倍分散帶，且預(yù)測(cè)能力同缺口應(yīng)力集中程度相關(guān)；改進(jìn)TCD的點(diǎn)方法和線方法可得到小于2倍的分散帶

3、，且其預(yù)測(cè)精度與缺口幾何形狀無(wú)關(guān)。由于SwT參數(shù)可考慮平均應(yīng)力(應(yīng)力比)影響，故根據(jù)光滑試件和某K。下缺口LCF試驗(yàn)數(shù)據(jù)便可以采用改進(jìn)TCD預(yù)測(cè)其他缺口試件在不同應(yīng)力比下的疲勞壽命，其應(yīng)用簡(jiǎn)單、方便。關(guān)鍵詞：低循環(huán)疲勞；臨界距離理論；SWT參數(shù)；Manson—Coffin方法；定向凝固鎳基高溫合金中圖分類號(hào)：V231．92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000—6893(2013)07—159609現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量和冷卻性能等的要求越來(lái)越苛刻，具體表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、壓氣機(jī)葉片等零部件結(jié)構(gòu)越

4、來(lái)越復(fù)雜，幾何上本身存在很多不連續(xù)。比如：渦輪葉片上的冷卻小孔、葉片內(nèi)部復(fù)雜的氣流通道、葉身與榫頭的弧形過(guò)渡等；同時(shí)，材料內(nèi)部本身工藝缺陷，例如夾雜、鑄造缺陷、加工劃痕等也會(huì)造成幾何不連續(xù)；此外，發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中，外物的吸入，會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上造成壓痕、劃痕、缺口等。上述幾何不連續(xù)處在載荷作用下將產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)構(gòu)件的疲勞有顯著的影響[1。2]。而應(yīng)力集中下壽命預(yù)測(cè)模型是否簡(jiǎn)單有效，將直接影響到復(fù)雜結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的預(yù)測(cè)精度和效率。針對(duì)應(yīng)力集中影響下的單軸疲勞壽命問(wèn)題，目前廣泛發(fā)展的預(yù)測(cè)方法中：局部應(yīng)變法以缺口根部

5、(或危險(xiǎn)點(diǎn)處)的應(yīng)變范圍結(jié)合光滑試件的疲勞壽命曲線估計(jì)構(gòu)件壽命，具代表性的兩種常用形式是Man—son—Coffin公式[3_43與Morrow[5]和SWT[63平均應(yīng)力修正公式；非局部方法中，Yao等[71提出的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)參數(shù)△㈣，在預(yù)測(cè)缺口構(gòu)件低循環(huán)疲勞(LCF)壽命時(shí)可以直接建立其與壽命的關(guān)系。Bentachfine等[83引入臨界疲勞損傷區(qū)的概念，提出了一種基于平均應(yīng)變能密度的缺口LCF壽命預(yù)測(cè)方法。而臨界距離理論(TCD)則是將壽命預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)方法同線彈性斷裂力學(xué)方法聯(lián)系起來(lái)，其實(shí)施簡(jiǎn)單和效率高的特點(diǎn)使

6、得該方法近幾十年來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。該方法由Neuber[93和Peterson[1叩首先提出，隨后Taylor[1u對(duì)臨界收稿日期：2012—09—03；退修日期：2012-11—21；錄用日期：2012—12-25；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2013-01—0910：23網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929．V．20130109．1023004．htmI*通訊作者Tel．：010-82339071E-mail：yxg@buaaeducn引用格武lYangXG，HuangJ，Wang

7、JK，etal．PropertiesandlifepredictionoflowcyclefatiguebehavioronnotchedDSNi-basedsuperal—loyActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34(7)：1596—1604．楊姥老，費(fèi)往，王并群，箏定廊凝曰鑲墓高溫臺(tái)金辨口低循環(huán)疲勞性能及壽命預(yù)溺．航空學(xué)報(bào)．2013．34(7)：1596-1604．楊曉光等：定向凝固鎳基高溫合金缺VI低循環(huán)疲勞性能及壽命預(yù)測(cè)距離思想進(jìn)行再研究而提出了廣泛用于疲

8、勞極限強(qiáng)度預(yù)測(cè)的方程。而Susmel和Taylor[12。1朝基于I臨界距離取決于失效壽命的假設(shè)，并結(jié)合Man—son—Coffin公式以及SWT公式，使該方法能擴(kuò)展運(yùn)用于LCF壽命預(yù)測(cè)。同時(shí)，基于TCD還可成功預(yù)測(cè)多軸疲勞加載下缺口構(gòu)件的LCF壽命[14I?？傊赥CD的壽命預(yù)測(cè)方法，概念明確且實(shí)施簡(jiǎn)單，其適用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到全壽命范圍的預(yù)測(cè)。本文通過(guò)3種缺口形式(U型、V型和C型