Page 42 - 理化检验-物理分册2024年第四期

缪 勇: 基于晶体塑性理论的镍基合金高温低周疲劳寿命预测方法

Inconel718镍基合金进行了高温低周疲劳试验, 基 速率为0.1% / s , 应变比为-1 , 试验温度为650℃ 。

于晶体塑性有限元方法探究了该材料的高温低周疲 在疲劳试验机上进行高温低周疲劳试验, 试验前测
劳裂纹萌生行为, 疲劳指示因子可用于评估材料在 量试样平行段上、 中、 下区域的原始直径, 并用高温
疲劳加载下的耐久性参数, 最后利用疲劳指示因子 石棉线在试样平行段上、 中、 下区域捆绑热电偶, 使
预测了该材料的低周疲劳裂纹萌生寿命。 用疲劳试验机自带的温度控制箱控制高温炉上、 中、

下三段的温度。当温度升高到650 ℃时, 将试样保
1 试验材料与试验方法
温0.5h 。高温引伸计架在试样的平行段上, 通过高
试验材料为Inconel718 镍基合金。对原始高 温引伸计控制试样标距段的总体应变。试样的裂纹

温材料进行标准热处理, 热处理包括固溶强化与时 萌生寿命被定义为最大循环载荷降低5%位置对应

效处理, 其中: 固溶强化指的是在温度为960℃时, 的周次( 见图3 )。

将Inconel718镍基合金保温1h , 随后进行空冷处

理; 时效处理指的是在温度为 720 ℃ 时, 将Inconel

718镍基合金保温8h , 随后以50℃ / h的降温速率

将合金随炉冷却至 620 ℃ , 然后在 620 ℃ 下保温

8h , 最后进行空冷处理。原始Inconel718 镍基合

金的化学成分如表1所示。
表1 原始Inconel718镍基合金的化学成分 %

质量分数
项目 图2 Inconel718镍基合金低周疲劳试样结构示意
C Al Si Ti Cr Fe Nb Mo Ni
实测值 0.81 0.47 0.17 1.1419.5218.985.13 2.77 余量
在对Inconel718镍基合金进行力学性能测试

之前, 先对其进行金相检验。采用电火花线切割机

对热处理后的材料进行取样, 试样规格为 4mm×

4mm×4mm ( 长×宽×高), 接着对试样进行热镶

嵌和磨抛, 依次选择粒度为 500 , 1000 , 2000 目的
砂纸打磨试样, 对试样表面进行腐蚀, 最后用光学显
图3 裂纹萌生寿命确定方法
微镜观察试样表面。典型Inconel718 镍基合金的

2 晶体塑性建模
显微组织形貌如图 1 所示, 平均晶粒直径为( 19±

1 ) m , 且该合金材料含有典型无织构组织。 2.1 晶体塑性理论
μ
晶体塑性模型是根据大变形理论分析晶粒间的
相互作用 [ 14 ] 。对于材料的任意一点, 当前位置矢量
x 可以由初始参考位置矢量X 和当前位移u 进行
表示。
x= X + u ( 1 )
变形梯度张量F 可以由位置矢量进行表示, 该
变形梯度张量与未变形状态无限小的线单元 d X 和

图1 典型Inconel718镍基合金的显微组织形貌 当前状态线单元dx 有关, 其表达式为
( 2 )
Inconel718镍基合金低周疲劳试样结构如图2 dx= FdX

所示, 其 中, 试 样 标 距 段 直 径 为 5 mm , 长 度 为 总变形梯度张量F 可分为弹性部分和塑性部分
12mm 。为了减小试样的表面粗糙度, 将试样标距 F= FF p ( 3 )
e

分 式中: F 是由弹性晶格变形和旋转产生的弹性变形
e
段抛光至镜面。低周疲劳试验的总应变范围 Δ ε t
别为1.0% , 1.2% , 1.4% , 1.6% , 2.0% , 2.2% , 应变 梯度; F 是由塑性滑移产生的塑性变形梯度。
p
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