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    重庆时时彩彩吧助手: 一种NISUB3/SUBAL基合金考虑位错演化的物理本构模型的建立方法.pdf

    关 键 词:
    一种 NISUB3 SUBAL 合金 考虑 演化 物理 模型 建立 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201611195224.8

    申请日:

    2016.12.22

    公开号:

    CN106769465A

    公开日:

    2017.05.31

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01N 3/08申请日:20161222|||公开
    IPC分类号: G01N3/08; G01N23/04; G01N23/225; G01N33/20 主分类号: G01N3/08
    申请人: 南京航空航天大学
    发明人: 张宏建; 肖健峰; 崔海涛; 温卫东
    地址: 210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
    优先权:
    专利代理机构: 南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙) 32249 代理人: 张耀文
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201611195224.8

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.06.23|||2017.05.31

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种Ni3Al基合金考虑位错演化的物理本构模型的建立方法,包括如下步骤:1)Ni3Al基合金IC10在300K和973K下沿晶粒生长方向的单调拉伸试验,控制应变率为10??3/s:2)IC10合金300K和973K下应变率跳跃试验:3)IC10合金的扫描电子显微镜和透射电子显微镜观测:4)物理本构模型的建立及模型参数的获?。焊菸淮碓硕砺劢⒛P?;基于IC10合金的力学性能试验和微观试验,确定模型参数:5)模型验证:模型建立后,对IC10合金300K和973K下的拉伸性能进行模拟验证。本发明的有益效果:本发明可以准确地预测IC10合金不同温度下的单向拉伸力学性能,为材料进一步的强度和疲劳研究提供准确的材料参数,对材料的工程设计具有重要意义。

    权利要求书

    1.一种Ni3Al基合金考虑位错演化的物理本构模型建立方法,其特征在于,包括如下步
    骤:
    步骤一、对Ni3Al基合金IC10在300K和973K下沿晶粒生长方向开展单调拉伸试验,分别
    获取其在300K和973K两个温度下的单调拉伸力学性能,根据初始屈服强度确定材料参数c3
    和c4;
    步骤二、对IC10合金在300K和973K下开展应变率跳跃试验,获取其热激活体积,确定模
    型中的材料参数c1和c2;
    步骤三、运用扫描电子显微镜和透射电子显微镜获取IC10合金的微观结构观测图,运
    用图形测量工具测得973K下变形过程中晶体内部不同应变下的位错密度,确定模型中的参
    数θf、和这三个参数共同决定了IC10变形过程中的位错密度演变规律;
    步骤四、基于晶体位错运动理论,结合IC10合金的微观观测结果,建立其考虑位错演化
    的物理本构模型,包括如下步骤:
    (4-1)根据晶体塑型理论,应力率由如下公式表示:

    式中,是以初始构形为基础的柯西应力张量的Jaumann导数,D为变形率张量,N为变形
    过程中开启滑移系的总数目,此处默认只有八面体滑移系开启,N=12,EMT表示瞬时弹性模
    量,Pα和Bα分别定义如下:

    Bα=Wασ+σWα

    式中,σ是柯西应力张量,和分别表示变形后晶体滑移系的滑移方向和滑移法向;
    (4-2)本构模型中流动法则的建立:
    任一滑移系上的剪切变形率由下式表示:



    式中,b是Burgers矢量,ρme和ρms分别表示变形过程中晶体内部刃型位错密度和螺型位
    错密度;和分别表示刃型位错和螺型位错的运动速度,α表示当前滑移系统;λα是位错
    的跳跃宽度,与晶体内部的林位错密度相关,c1为材料常数;Qslip是热激活
    能,Vα是激活体积,Vα=c2b2λα,c2是材料常数;KB是波尔兹曼常数,θ是温度,v0是尝试频率;
    τα、和分别表示滑移系α上的分切应力、刃型可动位错的切割力和螺型可动位错的
    切割力;其中,τα和的具体表达式见硬化法则部分;
    (4-3)本构模型中硬化法则的建立
    τα=σα:P(α)









    式中,c3-c7为材料常数;μ是材料的剪切刚度;是材料变形过程内部的平行位错密度;
    fp,s是平行位错密度中刃型特点位错的占比;ρα、和分别表示材料变形过程中总的
    位错密度、刃型位错密度和螺型位错密度;feα是总位错密度中刃型位错密度的占比,和
    是feα的初始值和渐进值,θf是表征feα变化的系数;d1是Ni3Al基合金强化项的尺寸;klock
    和kunlock是材料变形过程中KW锁的解锁系数和加锁系数,Hl和Hu是分别与之对应的热力学过
    程的焓值,L0是位错发生加锁过程的激活长度,Ls两段位错发生解锁过程的临界距离。

    说明书

    一种Ni3Al基合金考虑位错演化的物理本构模型的建立方法

    技术领域

    本发明涉及航空材料领域,具体涉及Ni3Al基合金考虑位错演化的物理本构模型
    的建立方法。

    背景技术

    Ni3Al基合金由于其出色的高温力学性能被广泛的用于航空发动机上的高温结构
    件。与传统材料相比,Ni3Al基高温合金具有熔点高、高温强度高、密度低、比刚度高以及抗
    氧化性能好等特性。大量资料研究表明,Ni3Al基合金具有很多反常的宏观力学特性:应变
    率敏感特性、屈服应力和应变硬化率在一定温度范围内随着温度的升高而增加、不满足
    Schmid法则等。为了解释这些宏观力学特性,不少学者针对这种的材料微观变形机理开展
    了相应研究,针对本文研究的中温区(300K-923K),机理研究成果总结如下:(1)变形过程
    中,刃型位错和螺型位错都会对材料的塑性流动产生影响(2)变形过程中,只有12个八面体
    滑移系被激活,并且不同滑移系之间的位错会相互影响(3)Ni3Al基合金变形过程中,存在
    特殊的位错结构:KW锁和几何位错(GNDs),同时还存在特殊的位错运动形式:位错的攀爬和
    交滑移。

    目前,为了能够预测Ni3Al基合金的力学性能,不同的学者提出了很多的模型,但
    是这些模型中,大多数都是宏观模型。在少数的微观模型中,也没有学者去具体考虑了不同
    位错形式的影响以及不同滑移系之间的相互影响,大多数微观模型都是采取平均化处理手
    段,这样的方法无法直接反映材料的微观变形机理。

    发明内容

    发明目的:针对上述现有技术,提出一种Ni3Al基合金考虑位错演化的物理本构模
    型建立方法,能够准确预测Ni3Al基合金在中温区的单向拉伸力学性能。

    技术方案:一种Ni3Al基合金考虑位错演化的物理本构模型建立方法,包括如下步
    骤:

    步骤一、对Ni3Al基合金IC10在300K和973K下沿晶粒生长方向开展单调拉伸试验,
    分别获取其在300K和973K两个温度下的单调拉伸力学性能,根据初始屈服强度确定材料参
    数c3和c4;

    步骤二、对IC10合金在300K和973K下开展应变率跳跃试验,获取其热激活体积,确
    定模型中的材料参数c1和c2;

    步骤三、运用扫描电子显微镜和透射电子显微镜获取IC10合金的微观结构观测
    图,运用图形测量工具测得973K下变形过程中晶体内部不同应变下的位错密度,确定模型
    中的参数θf、和这三个参数共同决定了IC10变形过程中的位错密度演变规律;

    步骤四、基于晶体位错运动理论,结合IC10合金的微观观测结果,建立其考虑位错
    演化的物理本构模型,包括如下步骤:

    (4-1)根据晶体塑型理论,应力率由如下公式表示:


    式中,是以初始构形为基础的柯西应力张量的Jaumann导数,D为变形率张量,N为
    变形过程中开启滑移系的总数目,此处默认只有八面体滑移系开启,N=12,EMT表示瞬时弹
    性模量,Pα和Bα分别定义如下:


    Bα=Wασ+σWα


    式中,σ是柯西应力张量,m*α和n*α分别表示变形后晶体滑移系的滑移方向和滑移
    法向;

    (4-2)本构模型中流动法则的建立:

    任一滑移系上的剪切变形率由下式表示:




    式中,b是Burgers矢量,ρme和ρms分别表示变形过程中晶体内部刃型位错密度和螺
    型位错密度;和分别表示刃型位错和螺型位错的运动速度,α表示当前滑移系统;λα是
    位错的跳跃宽度,与晶体内部的林位错密度相关,c1为材料常数;Qslip是热激
    活能,Vα是激活体积,Vα=c2b2λα,c2是材料常数;KB是波尔兹曼常数,θ是温度,v0是尝试频率;
    τα、和分别表示滑移系α上的分切应力、刃型可动位错的切割力和螺型可动位错的
    切割力;其中,τα和的具体表达式见硬化法则部分;

    (4-3)本构模型中硬化法则的建立

    τα=σα:P(α)










    式中,c3-c7为材料常数;μ是材料的剪切刚度;是材料变形过程内部的平行位错
    密度;fp,s是平行位错密度中刃型特点位错的占比;ρα、和分别表示材料变形过程
    中总的位错密度、刃型位错密度和螺型位错密度;feα是总位错密度中刃型位错密度的占比,
    和是feα的初始值和渐进值,θf是表征feα变化的系数;d1是Ni3Al基合金强化项的尺寸;
    klock和kunlock是材料变形过程中KW锁的解锁系数和加锁系数,Hl和Hu是分别与之对应的热力
    学过程的焓值,L0是位错发生加锁过程的激活长度,Ls两段位错发生解锁过程的临界距离。

    有益效果:本发明直接考虑了材料变形过程中每个滑移系内刃型位错和螺型位错
    的演化形式,并且从微观层次上直接给出了不同滑移系之间不同位错的潜在硬化方程,真
    实反应了Ni3Al基合金变形过程中内部位错的运动与演化。本发明的物理本构模型预测效
    果较好,可以准确地预测Ni3Al基合金中温区不同温度下的单向拉伸力学性能,为材料进一
    步的强度和疲劳研究提供准确的弹性材料参数,对材料进一步的工程设计具有重要意义。

    附图说明

    图1为本发明实现流程图;

    图2为Ni3Al基合金IC10在300K和973K下沿[001]方向单向拉伸的试验结果和预测
    结果图。

    具体实施方式

    下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

    如图1所示,一种Ni3Al基合金考虑位错演化的物理本构模型建立方法,包括如下
    步骤:

    1),对Ni3Al基合金IC10在300K和973K下沿晶粒生长方向开展单调拉伸试验,从
    IC10单晶合金母料上取材,沿晶粒生长方向加工成φ5mm的标准拉伸试样在以上两个温度
    下进行静力单调拉伸试验,分别获取其在这两个温度下的单调拉伸力学性能,根据初始屈
    服强度确定材料参数c3和c4;

    2),对IC10合金在300K和973K下开展应变率跳跃试验,从IC10单晶合金母料上取
    材,沿晶粒生长方向加工成φ5mm的标准拉伸试样进行试验,根据试验结果获取其热激活体
    积,确定模型中的材料参数c1和c2。试验条件见表1。

    表1

    试验条件
    IC10单晶拉伸试验
    IC10单晶应变率跳跃试验
    试样尺寸
    φ5mm
    φ5mm
    应变速率
    10-4/s
    10-4/s+10-3/s
    加载方向
    [001]
    [001]
    温度
    300K,973K
    300K,973K
    应变范围
    拉伸直至试样断裂
    拉伸直至试样断裂
    试验设备
    SDS-50电液伺服动静试验机
    SDS-50电液伺服动静试验机

    3),运用扫描电子显微镜和透射电子显微镜获取IC10合金的微观结构观测图,运
    用图形测量工具测得973K下变形过程中晶体内部不同应变下的位错密度,确定模型中的参
    数θf、和这三个参数共同决定了IC10变形过程中的位错密度演变规律;

    4),基于晶体位错运动理论,结合IC10合金的微观观测结果,建立其考虑位错演化
    的物理本构模型,包括如下步骤:

    4-1),根据晶体塑型理论,应力率可由如下公式表示:


    式中,是以初始构形为基础的柯西应力张量的Jaumann导数,D为变形率张量,N为
    变形过程中开启滑移系的总数目,此处默认只有八面体滑移系开启,N=12,EMT表示瞬时弹
    性模量,Pα和Bα分别定义如下:


    Bα=Wασ+σWα


    式中,σ是柯西应力张量,m*α和n*α分别表示变形后晶体滑移系的滑移方向和滑移
    法向;

    4-2),本构模型中流动法则的建立:

    任一滑移系上的剪切变形率可由下式表示:




    式中,b是Burgers矢量,ρme和ρms分别表示变形过程中晶体内部刃型位错密度和螺
    型位错密度;和分别表示刃型位错和螺型位错的运动速度,α表示当前滑移系统;λα是
    位错的跳跃宽度,与晶体内部的林位错密度相关,c1为材料常数;Qslip是热激
    活能,Vα是激活体积,Vα=c2b2λα,c2是材料常数;KB是波尔兹曼常数,θ是温度,v0是尝试频率;
    τα、和分别表示滑移系α上的分切应力、刃型可动位错的切割力和螺型可动位错的
    切割力。其中,τα和的具体表达式见硬化法则部分;

    4-3),本构模型中硬化法则的建立

    τα=σα:P(α)










    式中,c3-c7为材料常数;μ是材料的剪切刚度;是材料变形过程内部的平行位错
    密度;fp,s是平行位错密度中刃型特点位错的占比;ρα、和分别表示材料变形过程
    中总的位错密度、刃型位错密度和螺型位错密度;feα是总位错密度中刃型位错密度的占比,
    和是feα的初始值和渐进值,θf是表征feα变化的系数;d1是Ni3Al基合金强化项的尺寸;
    klock和kunlock是材料变形过程中KW锁的解锁系数和加锁系数,Hl和Hu是分别与之对应的热力
    学过程的焓值,L0是位错发生加锁过程的激活长度,Ls两段位错发生解锁过程的临界距离。

    本实施例中,模型中各参数如表2和表3所示:

    表2模型在973K下的模型参数





    表3模型在300K下的模型参数

    Parameter
    value
    Parameter
    value
    Parameter
    value
    C11
    262.357GPa
    υ
    0.33
    d1
    1.4×10-7m
    C12
    153.528GPa
    KB
    1.38×10-23J/K
    klock
    0
    C44
    112.126GPa
    θ
    973K
    kunlock
    0
    θf
    -13.47
    μ
    66.47GPa
    L0
    0.4×10-9m
    feo
    0
    b
    2.5×10-10m
    Ls
    0.5×10-9m
    fes
    0.5
    Qslip
    303J/mol
    Hl
    30×103J/mol
    c1
    1.8
    v0
    1×1010/s
    Hu
    28×103J/mol
    c2
    0.025
    c5
    9.95×109/m


    c3
    1
    c6
    1.09×104/m


    c4
    2.7
    c7
    5.4×10-3

    注:表2和表3中的C11、C12和C44是材料的弹性常数,υ材料的泊松比。

    本发明在Ni3Al基合金微观变形机理的研究基础上考虑不同位错形式的演变与运
    动以及不同滑移系之间位错的相互影响,建立了物理本构模型,真实反应了Ni3Al基合金微
    观变形行为,所以开发的物理本构模型预测效果较好??悸俏淮碓硕奈锢肀竟鼓P徒?br />后,以IC10为例,用本发明的模型模拟了IC10在300K和973K下的单向拉伸力学性能,将预测
    值与试验结果进行对比,见图2,发现预测结果和试验结果吻合良好,验证了模型的可靠性。

    以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人
    员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应
    视为本发明的?;し段?。

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