IJP:650℃下基于晶界空腔模型的镍基高温合金的蠕变疲劳损伤机制及寿命预测

文摘   2024-10-25 21:00   四川  
随着工业发展的需要,一些关键设备被要求在恶劣条件下服役,时效蠕变损伤和周期疲劳损伤交互作用下的极限损伤问题正受到业内的广泛关注。在此问题下,自由表面和晶界被认为是可能导致材料过早失效的致命弱点。基于此,华东理工大学的Kai-Shang Li等人开发了一种双尺度的数值模拟程序来揭示蠕变疲劳损伤机制并预估650℃下Inconel 718高温合金的疲劳寿命。该程序在宏观尺度采用了粘塑性本构求解蠕变损伤变形,在微观尺度结合晶界空腔模型求解局部损伤演化。

作者等人对650℃下Inconel 718高温合金进行了蠕变疲劳试验,与程序模拟结果比较,验证了所提出数值方法的合理性。此外,通过不同类型的微观结构观察和双尺度数值计算,揭示了蠕变疲劳裂纹的起裂机理,并与电子背散射衍射测试后的微观结构表征相吻合。

图一:基于EBSD分析的Inconel 718高温合金的显微组织信息:(a)反极图,(b)晶界图,其中黄线表示小角度晶界,蓝线表示高角度晶界,红线表示Σ3重合点阵边界,(c)KAM分布图,(d){100}{110}{111}三个主要滑移系统的极点图。

图二:疲劳加载条件下的模拟结果与试验数据的对比:(a)试件U-1和试件U-4疲劳加载条件下的滞回线;(b)试件U-2和试件U-5蠕变疲劳加载条件下的滞回线和应力松弛;(c)试件总损伤等高线图;(d)试件U-2的实验KAM图。

图三:缺口和单轴试件在不同总应变范围下并考虑时效的蠕变疲劳寿命分布和寿命折减比。

图四:低周疲劳载荷下试样N-3的显微组织观察:(a)反极图,(b) SEM观察裂纹路径,(c)断口形貌,(d) EPMA观测裂纹氧化;蠕变疲劳加载下试样N-4:(e)反极图,(f) SEM裂纹路径,(g)断口形貌,(h) EPMA裂纹氧化。

图五:低周疲劳工况下KAM在不同路径下的分布演化图:(a)N-3(b)N-4。

图六:蠕变损伤和疲劳损伤分布:(a)损伤随所选路径A - A的演化;(b)热点处损伤随循环次数的演变;(c)所选路径123的总损伤演变;(d)不同单轴和缺口试件每周期的最大损伤。

图七:蠕变疲劳寿命预测过程:(a) 650℃蠕变疲劳单轴试件循环软化曲线;(b)保温时间内单轴试样提取的能量密度;(c)单轴试件和缺口试件的总损伤随循环次数的变化规律;(d)实验寿命与预测寿命的比较;(e)采用拟寿命预测方法评估的蠕变-疲劳相互作用图;(f)基于NDS规则的实验寿命与预测结果的比较。

图八:650℃时Inconel 718高温合金的参数对蠕变损伤的影响:(a)蠕变损伤随最大应变的演变;(b)蠕变损伤与最大应变的线性关系;(c)蠕变损伤随保温时间的演变;(d)蠕变损伤与保温时间的非线性关系;(e)蠕变损伤随晶界扩散参数的演化;(f)蠕变损伤与晶界扩散参数的非线性关系。

相关研究成果以“Creep-fatigue damage mechanisms and life prediction based on crystal plasticity combined with grain boundary cavity model in a nickel-based superalloy at 650℃”为题发表在上International Journal of Plasticitys上(Volume 165, June 2023, Article Number 103601),论文第一作者为Kai-Shang Li,通讯作者为Xian-Cheng Zhang。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103601


多尺度力学
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