基于神经网络的双层辉光离子渗金属

基于神经网络的双层辉光离子渗金属

文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）

镍基单晶合金多轴非比例加载

低周疲劳单胞模型

丁智平，王腾飞，李明，陈吉平

（湖南工业大学机械工程学院，湖南株洲412008）

摘要：进行DD3镍基单晶合金在680℃和850℃温度下多轴非比例加载低周疲劳

试验，试验研究表明等效应变范围△ε

e 、试验温度、等效应力范围△σ

e

对单晶

合金的低周疲劳寿命有显着的影响。基于能量耗散理论，引入参量k表征多轴非比例加载对疲劳寿命的影响，构造循环塑性应变能作为损伤参量，建立镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型。参量k与循环寿命之间呈幂函数关系。根据镍基单晶合金的微观尺度结构特征，建立γ/γ’双相单胞有限元模型，进行多轴非比例循环加载应力应变数值模拟。分别利用宏观有限元模型和γ/γ’双相单胞微观有限元模型的计算结果，以及镍基单晶合金680℃和850℃低周疲劳试验数据，对疲劳寿命模型进行多元线性回归分析，结果表明微观单胞有限元模型的分析精度比宏观有限元模型显着提高，两种温度下的试验数据分别落在倍和倍偏差分布带内。

关键词：疲劳，单胞模型，有限元法，单晶合金，多轴非比例

中图分类号：文献标识码：

Low Cycle Fatigue Unit Cell Model for Single Crystal Nickel-base Superalloy under Multiaxial Non-proportional Loading

DING Zhiping，WANG Tengfei，LI Ming，CHEN Jiping

国家自然科学基金资助项目(),湖南省重点学科建设项目资助

作者简介：丁智平（1956—），男，博士，教授，硕士研究生导师，主要从事机械结构强度、材料的疲劳损伤和机械优化设计的研究。（通讯作者）；E-mail：

(School of Mechanical Engineering, Hunan University of Technology,

Zhuzhou 412007)

Abstract:Low cycle fatigue tests of single crystal nickel-based superalloy DD3 were conducted under multiaxial non-proportional

loading at 680℃ and 850℃, respectively. The test results show that many factors affect low cycle fatigue life significantly. Based on energy dissipation theory, a low cycle fatigue life prediction model

for single crystal superalloy was proposed by using cyclic plasticity strain energy as a parameter. micro structure feature, a γ/γ’ two-phase unit cell finite element model was established, and its cyclic stress-strain was simulated. Calculation results of the macro and the micro finite element model, and low cycle fatigue test da ta at 680℃ and 850℃ were applied to fit the low cycle fatigue life model by multiple linear regression analysis. The results show that the accuracy of the unit cell model is better than the macro model significantly, and all test data of two kinds of temperature fall into the factor of and scatter band, respectively.

Key words: fatigue，unit cell model，finite element method，single crystal alloy，multiaxial non-proportional

镍基单晶合金因其良好的高温抗疲劳和蠕变性能，已成为航空涡轮发动机热端部件的重要材料。航空涡轮发动机热端部件不仅承受高温蠕变损伤，同时还承受因发动机启动、停机产生的交变载荷及温度变化而引起的低周疲劳（LCF）破坏。特别是涡轮叶片根部的受力处于复杂应力状态，从而产生多轴低周疲劳损伤。多轴应力

状态下材料的疲劳损伤是较为复杂且非常困难的问题，特别是对镍基单晶合金各向异性材料在高温多轴应力状态下的低周疲劳性能研究和寿命预测，到目前为止在国际上亦是前沿性的研究热点。国内外众多学者在这方面进行了大量研究[1-3]。

国内关于高温非比例加载多轴低周疲劳试验研究的文献仅限于各向同性材料。文献[4]在室温下对304不锈钢非比例拉-扭低周疲劳试验进行了研究，对常用的几种各向同性材料多轴疲劳寿命预测模型进行了分析比较。文献[5]对GH4169高温合金钢在650℃温度下进行应变控制的非比例循环加载高温拉/扭疲劳试验，研究了加载相位差与疲劳寿命之间的关系。文献[6]分别对三种不同晶体取向的DD3单晶合金光滑试样和缺口试样在680℃温度下进行了对称和非对称循环载荷下的高温单轴低周疲劳试验研究，提出由总应变范围、晶体取向函数和非对称循环特征参量构成的循环塑性应变能作为疲劳损伤参量，建立了单晶合金低周疲劳寿命预测模型。文献[7,8]对[001]晶体取向的DD3单晶合金缺口试样在620℃温度进行了单轴低周疲劳试验，建立了基于晶体滑移理论的疲劳寿命模型，在预测单晶合金的低周疲劳寿命时精度较高。

文献[9]运用弹塑性有限元数值模拟，对GH4169镍基高温合金在双轴比例与非比例拉/扭应变循环载荷下的光滑薄壁管件和缺口轴类件进行了研究，用KBM法和SWT 法预测了缺口件的疲劳裂纹萌生寿命。文献[10]对GH4169缺口试样在650℃下进行了高温拉/扭疲劳断裂实验，利用有限元分析软件计算试样缺口周围的应力应变场，确定出试样在各种载荷状态下的应力集中系数。文献[11]则是对[001]取向CMSX-4镍基单晶合金圆柱光滑试样进行了热机械疲劳试验研究，基于单晶合金的γ/γ’双相微观结构，提出了预测单晶合金低周疲劳和热机械疲劳的微观力学模型。文献[12]建立了CMSX-4镍基单晶合金单胞有限元模型，进行850℃和950℃温度下蠕变损伤有限元分析。各向异性镍基单晶高温合金在非比例加载下的多轴低周疲劳试验研究，尚未见文献报道。