IC10合金的力学性能试验及本构模型研究

论文摘要

IC10合金是一种新型的多相Li2型材料,由于具有优异的高温力学性能使其成为新一代航空发动机高温部件用结构材料之一。IC10的工作环境恶劣,受载情况复杂,而且具有异于传统无序材料的力学性能。但迄今为止,国内外对其力学特性及本构模型方面开展的研究工作还比较少。本文对IC10开展了相对系统的宏细观力学试验研究,研究了力学特性随温度和应变率的变化规律及力学特性的微细观机理;并基于试验结果,从细观和宏观两方面推导建立了适用于IC10这类材料的本构模型,用以描述IC10在各条件下的力学特性。研究工作和得到的主要结论如下:对IC10开展了系统的宏观力学性能试验研究和微细观机理观察研究,并分析力学特性参量的变化规律。本文在温度25～1100℃、应变率10-4～10-2/s范围内对IC10进行了率控制拉伸试验,获得其应力-应变、弹性模量、屈服应力和应变硬化率等材料数据,并研究了这些参数随应变率和温度变化的规律;同时,运用扫描电子显微镜（SEM）及透射电子显微镜（TEM）对IC10开展了断裂机理及细观机理观察试验研究。结果表明:应力-应变曲线在25～700℃范围内表现为应变硬化,800℃附近表现为动态回复,900～1100℃范围内表现为动态再结晶;屈服应力和应变硬化率均具有反常的温度相关性,在反常温度范围内它们随温度的升高小幅增大,且呈应变率弱敏感性,而超过该范围后它们随温度的升高大幅下降,且应变率敏感性很强;运用SEM对试件断口进行观察表明在25～800℃范围内,断裂机理主要为穿晶断裂;在900℃～1100℃范围内,断裂机理主要为韧窝聚集型断裂;在屈服反常温度范围内,IC10的强度升高等力学特性与其细观机制密切相关,该细观机制主要表现为八面体滑移系中螺位错被交滑移形成的KW锁锁住,从而使得产生原子之间位错需要更多的外部能量输入;在900℃～1100℃范围内IC10的应力-应变特性及应变率敏感性等力学特性与大量位错相互纠结形成胞状亚晶结构等现象相关。针对含γ′和γ多相Li2型材料的力学性能及细观结构特征,提出并建立了一种细观本构模型及其数值解技术。该模型将含γ′和γ等相的混合单元体作为材料的细观特征单元体,并认为:材料的屈服和硬化由阻碍可动位错运动的点障碍所引起;螺位错的运动能力与其上超弯折的高度相关。根据总体位错密度的演化及超弯折的高度分布函数,推导建立了可动位错密度的演化方程和障碍密度的演化方程。基于所建立的模型、数值模拟技术和ABAQUS商用有限元分析软件,编制了本构模型的用户子程序（UMAT）。对25～700℃下的IC10应力-应变曲线预测结果与试验结果吻合良好,表明本文所提出的细观模型及其数值解技术是有效的。提出并建立了一种适用于描述含动态回复/再结晶行为的宏观本构模型。该模型将动态回复/再结晶行为的应力-塑性应变曲线分成峰值应力前的应变硬化和峰值应力后的应变软化这两部分,分别建立了硬化强度因子Kh、软化强度因子Ks、硬化指数nh和软化指数ns与材料屈服应力σ0.2、临界应力σc,临界塑性应变εc,断裂应力σb和延伸率εb等宏观力学特性参数之间的函数关系。将本文模型分别应用于预测IC10在800℃的动态回复力学行为和900～1100℃的动态再结晶力学行为,并将预测结果与Cho模型的预测结果和试验值进行比较,结果表明本文模型能很好地预测IC10含动态回复/再结晶流变行为的力学特性,而且在使用上比Cho模型更方便。对L-H、J-C和ZA等三种常用于描述一般合金材料应变硬化的宏观本构模型进行了改进,发展了四种改进的宏观本构模型,即改进的L-H模型、改进的J-C模型、改进的ZA模型1和2。分别运用这四种改进模型对IC10在25～700℃范围的应力-塑性应变曲线进行了预测分析,与试验结果相比表明:改进L-H模型、改进J-C模型的形式简单,精度高、参数较少,更适用于工程应用。定义了应变率敏感度,对IC10进行应变率跳跃试验和应力松弛试验,定量分析了应变率敏感度和热激活体积的变化规律。分别对IC10在600～1100℃范围内进行了应变率跳跃试验和在600～1000℃范围内进行了应力松弛试验。试验结果表明:低于800℃时,IC10的力学特性对应变率的敏感性较弱,在800℃附近IC10的力学特性具有一定的应变率敏感性,而高于800℃时,IC10的力学特性对应变率非常敏感;热激活体积的量级较小,且随材料变形量的增加而降低;在600～900℃范围内热激活体积随温度的升高而下降,而在900～1100℃范围内随温度的升高而升高。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究目的和意义

1.1.1 基本背景

1.1.2 选题的意义

1.2 国内外研究状况

3Al 基合金的研究进展'>1.2.1 Ni₃Al 基合金的研究进展

3Al 基合金的结构及力学特征'>1.2.1.1 Ni₃Al 基合金的结构及力学特征

3Al 基合金的研制进展'>1.2.1.2 Ni₃Al 基合金的研制进展

3Al 基合金的本构模型研究进展'>1.2.2 Ni₃Al 基合金的本构模型研究进展

1.2.2.1 点障碍模型（Point-obstacles models）

1.2.2.2 超弯折模型（Superkink Unlocking Models）

1.2.2.3 动力学模拟模型（the Dynamic-simulation Models）

1.2.2.4 硬化模型（Hardening Models）

1.2.3 宏观本构模型研究进展

1.2.3.1 应变硬化本构关系

1.2.3.2 动态回复本构关系

1.2.3.3 动态再结晶本构关系

1.2.3.4 统一本构理论模型

1.3 存在的问题

1.4 本文研究的主要内容及创新点

1.4.1 本文研究的主要内容

1.4.2 本文的主要创新点

第二章 IC10 合金力学性能的率控制拉伸试验研究

2.1 引言

2.2 试验材料

2.2.1 IC10 合金的组织结构特征

2.2.2 IC10 合金的试验件设计

2.3 试验过程

2.3.1 率控制拉伸试验过程

2.3.2 细观机理特性观察试验

2.3.2.1 扫描电子显微镜观察试验

2.3.2.2 透射电子显微镜观察试验

2.4 试验结果分析

2.4.1 宏观力学性能试验结果及分析

2.4.1.1 应力-应变曲线的变化规律研究

2.4.1.2 弹性模量的变化规律研究

2.4.1.3 屈服应力的变化规律研究

2.4.1.4 应变硬化率（SHR）的规律研究

2.4.2 微细观力学性能试验结果及分析

2.4.2.1 断裂特性分析

2.4.2.2 变形机理分析

2.5 本章小结

第三章 IC10 合金力学性能的应变率跳跃和应力松弛试验研究

3.1 引言

3.2 试验过程

3.2.1 应变率跳跃拉伸试验

3.2.2 应力松弛试验

3.3 试验结果分析

3.3.1 不同应变下温度对应变率敏感性（SRS）的影响

3.3.2 不同应变下温度对热激活体积V 的影响

3.4 本章小结

第四章 IC10 合金的细观本构模型研究

4.1 引言

4.2 细观本构模型的建立

4.2.1 晶体塑性理论简介

（α）方程的建立'>4.2.2 γ^（α）方程的建立

m^（α）的演化'>4.2.2.1 可动位错密度ρ_m^（α）的演化

P^（α）的演化'>4.2.2.2 障碍密度ρ_P^（α）的演化

4.3 细观本构模型的数值模拟技术研究

4.3.1 不同坐标系之间的刚度转换矩阵

4.3.2 各参量的增量演化方程

4.3.3 晶格转动

4.3.4 数值模拟分析的计算流程

4.3.4.1 实施的总体流程

4.3.4.2 UMAT 程序流程

4.4 IC10 合金的相关算例分析

4.5 本章小结

第五章含应变硬化行为的宏观本构模型研究

5.1 引言

5.2 L-H 模型的改进及其应用

5.2.1 改进的L-H 模型

5.2.2 改进的L-H 模型的应用

5.3 J-C 本构模型的改进及其应用

5.3.1 改进的J-C 模型

5.3.2 改进的J-C 模型的应用

5.4 ZA 本构模型的改进及其应用

5.4.1 改进的 ZA 模型1 及其应用

5.4.1.1 改进的ZA 模型1

5.4.1.2 改进的ZA 模型1 的应用

5.4.2 改进的ZA 模型2 及其应用

5.4.2.1 改进的ZA 模型2

5.4.2.2 改进的ZA 模型2 的应用

5.5 几种模型综合对比分析

5.6 本章小结

第六章含动态回复/再结晶行为的宏观本构模型研究

6.1 引言

6.2 动态回复/再结晶现象简介

6.3 Cho 的本构模型

6.4 动态回复/再结晶本构模型的建立

6.5 本文模型的应用

6.6 本章小结

第七章结论与展望

7.1 全文总结

7.2 进一步工作的展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录1

附录2

附录3

附录4

附录5

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