基于晶体塑性理论的镍基合金力学行为研究

镍基单晶高温合金DD5磨削成屑机理研究*于贵华1， 朱　涛1， 蔡　明1， 安志欣1， 王成静2， 罗书宝1（1. 辽宁石油化工大学 机械工程学院, 辽宁 抚顺 113001）（2. 辽宁石油化工大学 石油化工学院, 辽宁 抚顺 113001）摘要　为研究镍基单晶高温合金DD5的磨削去除机理，提高其加工效率，针对镍基单晶高温合金具有显著各向异性的特点，建立基于Hill 模型的三维有限元磨削模型，研究镍基单晶高温合金DD5的表面加工形貌和切屑形貌，分析切屑形貌演变过程及其磨削力变化，探究磨削速度对切屑形貌和切屑形成频率的影响。

研究表明：在磨削参数范围内，加工DD5容易出现锯齿形切屑；磨削力呈稳定增加并伴有一定的周期性波动，其波动情况与锯齿形切屑相对应；随着磨削速度的增大，磨粒能更快进入切削阶段，其临界成屑厚度由0.225μm 最终降为0.158 μm ，成屑阶段占比由85.0%提高到89.5%；临界划擦厚度受磨削速度变化影响不大；随着磨削速度的增加，DD5切屑形貌由锯齿分节密集堆叠的单元节状向连续型锯齿状转变，最后发展为条形带状切屑。

关键词　磨削；切屑形貌；镍基单晶高温合金DD5；有限元分析中图分类号　TG58; TH161　文献标志码　A 文章编号　1006-852X(2023)06-0760-12DOI 码　10.13394/ki.jgszz.2022.0169收稿日期　2022-10-11　修回日期　2023-01-16作为航空发动机涡轮盘、转子叶片、涡轮导向叶片等关键零部件的主要材料，镍基单晶高温合金具有优异的物理和化学性能，例如抗蠕变性能、耐高温性能、抗冲击性能等[1-2]。

然而，这些优异的力学性能也给其加工制造带来了巨大困难，使其出现加工质量差、加工成本高等缺点[3]。

和其他传统加工方式相比，磨削加工具有加工质量好、精度高等特点，能够满足镍基单晶高温合金在特殊工况下的使用条件[4]。

但是，在磨削过程中镍基单晶高温合金仍出现磨削温度高、磨削力大、能量损耗高、加工效率低等难点[5]。

镍基单晶合金高温蠕变行为的研究新进展镍基单晶合金是目前航空发动机涡轮叶片的主要制造材料，其蠕变性能是关系到发动机使用安全和服役寿命的重要因素。

本文从成分组成、蠕变机制、本构模型等方面论述了近年来镍基单晶合金研究的新进展，特别着重于阐明镍基单晶合金蠕变行为与微结构演化之间的联系，论述了晶体塑性有限元方法在单晶叶片力学行为模拟中的应用，为我国发动机叶片设计和强度分析提供重要的理论参考和技术指导。

标签：镍基单晶合金蠕变微结构晶体塑性一、引言航空发动机涡轮叶片长期处于高温下，受到复杂应力和燃气冲击腐蚀等综合作用，工作条件十分恶劣。

涡轮叶片等热端部件的可靠性是影响发动机性能和寿命的关键因素和技术难点。

镍基单晶合金因具有较高的高温强度、优异的蠕变、疲劳抗力及良好的抗氧化性和抗热腐蚀性，被广泛用于制造航空发动机的涡轮叶片等核心部件。

镍基单晶合金通过定向凝固技术消除了晶界，使其高温抗蠕变、疲劳性能大大增强，成为最受关注、应用最广的高温合金。

随着发动机服役温度的不断提高，单晶材料的蠕变行为和变形机制也随温度升高表现出不同的特征。

因此，建立合适的本构模型对镍基单晶合金的蠕变行为进行预测，对于我国航空发动机叶片设计、强度分析和寿命预测具有重要的意义。

二、镍基单晶合金的发展趋势及现状镍基单晶合金由于其优异的抗蠕变、疲劳和耐腐蚀性能，在过去的几十年里得到了世界各国的重视，并形成了合金系列应用到航空发动机的热端部件中，如美国的CMSX-2、CMSX-4、CMSX-10系列，英国的RR2000系列，法国的MC2、MC-NG系列，日本的TMS-75、TMS-138、TMS-162系列等。

我国镍基单晶高温合金研制从20世纪80年代初开始，现已发展到以DD22为代表的第四代合金材料，但是，合金性能和发达国家相比尚存在一定的差距，距离大范围实际应用还有较长的路要走。

镍基单晶合金优异的高温性能得益于Re、Ru、W等难熔金属的添加。

Re 的添加有助于改善高温合金的显微组织和热稳定性，降低不稳定相及单晶缺陷等的影响，从而显著增强单晶合金的高温抗蠕变性能。

镍合金材料的冲击韧性与断裂行为研究摘要：镍合金是一种重要的结构材料，在航空航天、能源等领域有广泛的应用。

冲击韧性和断裂行为是镍合金材料性能评价中的重要指标。

本文对镍合金材料的冲击韧性与断裂行为进行了研究分析，探讨了影响镍合金材料冲击韧性和断裂行为的因素，并对未来的研究方向进行了展望。

1. 引言镍合金是一种具有良好机械性能和耐腐蚀性能的高性能金属材料，被广泛应用于航空航天、能源等重要领域（引用）。

在实际工程应用中，镍合金材料常常需要承受复杂的力学载荷，因此对其冲击韧性和断裂行为的研究尤为重要。

2. 冲击韧性与断裂行为的定义冲击韧性是材料在冲击载荷下发生断裂前能吸收的能量大小的评价指标。

断裂行为是材料在受力过程中出现破裂和断裂的过程。

3. 冲击韧性与断裂行为的影响因素冲击韧性和断裂行为受多个因素的影响，包括材料的化学成分、晶体结构、显微组织和加载速率等。

3.1 材料的化学成分镍合金的化学成分对其冲击韧性和断裂行为有直接影响。

一般来说，Ni-Cr系列镍合金的冲击韧性相对较好，而Ni-Cr-Fe系列镍合金的断裂韧性相对较高。

3.2 材料的晶体结构材料的晶体结构对其冲击韧性和断裂行为也有一定的影响。

针对镍合金的研究表明，晶粒度越细，冲击韧性和断裂韧性越好。

3.3 显微组织镍合金的显微组织结构对其冲击韧性和断裂行为的影响是复杂的。

高温合金中的析出相和晶界对冲击韧性和断裂行为有着重要的影响。

3.4 加载速率加载速率是影响镍合金冲击韧性和断裂行为的另一个重要因素。

通常情况下，高速加载会导致材料的脆性断裂，而低速加载可以提高材料的韧性。

4. 镍合金材料冲击韧性与断裂行为的研究方法目前，针对镍合金材料冲击韧性与断裂行为的研究方法主要包括冲击实验、断裂力学、显微组织观察和数值模拟等。

4.1 冲击实验冲击实验是研究镍合金材料冲击韧性和断裂行为的重要手段之一。

常用的冲击实验方法包括冲击试验、冲击压缩试验和缺口冲击试验等。

金属材料的力学行为模型引言:金属材料在人类社会中扮演着重要的角色，广泛应用于建筑、交通、电子等领域。

研究金属材料的力学行为模型对于优化设计、材料选择和结构安全具有重要意义。

本文将探讨金属材料的力学行为模型，并介绍常用的弹性、塑性和粘弹性模型。

第一部分：弹性模型弹性模型用于描述金属材料在受力后恢复原状的能力。

最简单的弹性模型是胡克定律，它表明应力与应变成正比。

然而，金属材料的力学行为往往不符合线性弹性假设。

因此，工程领域常采用线性弹性模型、非线性弹性模型和弹塑性模型等。

线性弹性模型假设应力与应变呈线性关系，其中应力是单位面积上的力，应变是单位长度上的形变。

最常用的线性弹性模型是胡克-杨模型，它描述了金属材料的正弹性行为。

然而，在高应力下，金属材料的力学行为不再符合线性弹性假设。

第二部分：塑性模型塑性模型用于描述金属材料在超过弹性极限后的可塑性变形。

金属材料在受力时会出现塑性变形，即无法完全恢复原状。

晶体塑性理论是研究金属材料塑性变形的重要方法。

它基于晶体的滑移理论和晶体微弱滑移的条件。

其中，最常用的塑性模型是von Mises模型，它假设金属材料在达到屈服点后会开始塑性变形。

该模型描述了材料的屈服条件，并引入了流动准则来确定塑性变形发生的条件。

第三部分：粘弹性模型粘弹性是介于弹性和塑性之间的力学特性，用于描述金属材料在应力施加后的时间依赖性。

与弹性相比，粘弹性模型考虑了材料的时间依赖性。

常见的粘弹性模型包括粘弹性弹簧模型和粘弹性体模型。

粘弹性模型的研究包括应力松弛实验和应变迟滞实验。

这些实验揭示了金属材料在受力后的时间依赖性行为，为粘弹性模型的建立提供了实验基础和理论依据。

结论:金属材料的力学行为模型对于优化设计和结构安全具有重要意义。

本文介绍了金属材料的弹性、塑性和粘弹性模型，并讨论了它们的适用范围和应用。

在工程实践中，根据材料的具体情况选择适当的模型进行分析和设计是至关重要的。

希望本文的探讨能够为金属材料力学行为模型的应用提供一定的指导和启示。

镍钢复合制品的非线性力学行为及相关研究进展引言：镍钢复合制品是由镍基合金和钢基材料复合而成的新型复合材料。

由于其独特的复合结构和材料特性，镍钢复合制品在现代工业中得到了广泛的应用。

在长期的应用过程中，发现镍钢复合制品表现出了非线性力学行为，这给制品的力学性能和可靠性带来了挑战。

因此，研究镍钢复合制品的非线性力学行为具有重要的理论意义和实际价值。

非线性力学行为的定义和研究方法：非线性力学行为是指材料的应力-应变关系不遵循胡克定律，存在非线性行为的现象。

研究材料的非线性力学行为可以通过实验和数值模拟两种方法进行。

实验方法是通过设计合适的试验方案，对镍钢复合制品进行拉伸、压缩、弯曲等加载条件下的测试，获得应力-应变曲线和载荷-位移曲线等力学性能参数。

同时，借助显微镜、扫描电子显微镜等技术，观察材料的损伤和破坏行为，从而分析材料的非线性力学行为机制。

数值模拟方法是基于力学理论和计算机仿真技术，通过建立材料的力学模型和加载条件的数值模拟，预测镍钢复合制品的力学性能。

常用的数值模拟方法包括有限元分析、分子动力学模拟等。

通过数值模拟方法，可以更好地理解材料的非线性力学行为，进一步的预测和优化材料的性能。

镍钢复合制品的非线性力学行为机制：镍钢复合制品表现出的非线性力学行为主要包括塑性变形、弹性失效和破坏行为。

在塑性变形方面，镍钢复合制品的非线性行为主要受到材料的晶粒结构、相界面和材料界面的作用。

复合界面的存在使得应力和应变的分布不均匀，导致了材料的局部塑性变形。

在弹性失效方面，镍钢复合制品的非线性力学行为受到材料的残余应力和残余应变的影响。

残余应力和应变可能来自于材料的制备过程和加载过程中的非均匀性，导致了材料的弹性失效。

在破坏行为方面，镍钢复合制品的非线性力学行为主要受到材料的微裂纹、孔洞和裂纹的影响。

这些缺陷会导致材料的应力集中和局部应变增大，从而引发材料的破坏。

研究进展及应用展望：针对镍钢复合制品的非线性力学行为及其机制，国内外的研究者们进行了大量的研究工作并取得了一些成果。

镍基高温合金材料的研究进展一、本文概述镍基高温合金材料作为一种重要的金属材料，以其出色的高温性能、良好的抗氧化性和优异的力学性能，在航空航天、能源、化工等领域具有广泛的应用。

随着科技的快速发展，对镍基高温合金材料的性能要求日益提高，其研究进展也备受关注。

本文旨在全面综述镍基高温合金材料的最新研究进展，包括其成分设计、制备工艺、组织结构、性能优化以及应用领域等方面，以期为未来镍基高温合金材料的进一步发展提供理论支持和指导。

本文首先介绍了镍基高温合金材料的基本概念和特性，概述了其在不同领域的应用现状。

随后，重点分析了镍基高温合金材料的成分设计原理，包括合金元素的选取与配比，以及如何通过成分调控优化材料的性能。

在制备工艺方面，本文介绍了近年来出现的新型制备技术，如粉末冶金、定向凝固、热等静压等，并探讨了这些技术对材料性能的影响。

本文还深入探讨了镍基高温合金材料的组织结构特点，包括相组成、晶粒大小、位错结构等，并分析了这些结构因素对材料性能的影响机制。

在性能优化方面，本文总结了通过热处理、表面处理、复合强化等手段提高镍基高温合金材料性能的研究进展。

本文展望了镍基高温合金材料在未来的发展趋势和应用前景，特别是在新一代航空航天发动机、核能发电、高温传感器等领域的应用潜力。

通过本文的综述，旨在为相关领域的研究人员和企业提供有益的参考和借鉴，推动镍基高温合金材料的进一步发展和应用。

二、镍基高温合金的基础知识镍基高温合金，也称为镍基超合金，是一种在高温环境下具有优异性能的特殊金属材料。

它们主要由镍元素组成，并添加了各种合金元素，如铬、铝、钛、钽、钨、钼等，以优化其热稳定性、强度、抗氧化性、抗蠕变性和耐腐蚀性。

镍基高温合金的这些特性使其在航空航天、能源、石油化工等领域具有广泛的应用。

镍基高温合金之所以能够在高温环境下保持优异的性能，主要得益于其微观结构的特殊性质。

这些合金在固溶处理和时效处理后，会形成一系列复杂的金属间化合物，如γ'、γ''和γ'″等，这些化合物在基体中弥散分布，起到了强化基体的作用。

微观塑性变形理论及其应用研究1. 前言微观塑性变形理论是固体力学中最基础和重要的理论之一，对于材料工程、力学、物理、材料科学等领域具有重要的意义。

塑性变形与微观结构紧密相关，在材料的应用过程中，了解材料的塑性变形规律和机理，能够为材料的制备和应用提供基础和帮助。

因此，本文将对微观塑性变形理论及其在材料工程中的应用进行综述，并讨论未来微观塑性变形理论研究的方向和关注点。

2. 微观塑性变形理论基础2.1 晶体塑性变形理论在晶体的塑性变形学中，晶体中的位错扮演着重要的角色。

位错是由晶体缺陷引起的，具有与原子间距相同的长度缺陷。

沿着位错线，原子序列存在错位，形成了一条“面包屑”状的结构。

晶体中的位错主要分为线状和面状。

线状位错是指在晶体中不同方向晶粒的交界处，相邻晶体原子序列错位所构成的一条线状缺陷；面状位错是指晶体中沿晶面错位的缺陷。

位错在晶体中具有以下作用：1）可以容许晶体变形，2）能够造成宏观形变，3）可以提高材料的强度。

2.2 塑性变形的本构关系本构关系是描述材料应力和应变之间的关系的理论模型。

对于塑性材料来说，塑性变形就是材料产生塑性应变的实现过程，也是弹塑性本构关系的一部分。

弹塑性本构关系是由弹性和塑性两个本构模型组合起来的。

塑性变形的本构关系通常用流动应力与应变速率之间的关系来表示。

流动应力是材料中的力，可以表征材料抵抗变形所需要的力；应变速率则是材料中变形的速度，可以反映材料变形的程度。

塑性变形的本构关系就是通过流动应力和应变速率之间的关系来描述塑性变形。

3. 微观塑性变形理论在材料工程中的应用3.1 新型材料的精细化设计微观塑性变形理论是实现新型材料精细化设计的重要理论基础。

通过对材料微观结构进行深入的研究，可以为材料的工程应用提供基础和帮助。

以金属材料为例，对于新型金属材料的设计，可以采用纳米晶技术来提高金属材料的强度和塑性。

纳米晶技术可以通过控制晶体粒度和晶界能来实现材料性能的优化。

镍基单晶高温合金的典型蠕变寿命模型李逸航;陈思远;孟凡武【期刊名称】《金属世界》【年(卷),期】2018(000)005【总页数】4页(P26-28,31)【作者】李逸航;陈思远;孟凡武【作者单位】首都师范大学附属中学,北京 100037;北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京 100083;北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081【正文语种】中文内容导读镍基单晶高温合金具有一定的高温强度、良好的抗氧化、抗热腐蚀、抗冷、热疲劳性能，并有良好的塑性和焊接性。

镍基单晶高温合金作为航空发动机涡轮叶片的重要材料，其力学性能对航空发动机有着重大影响，研究其疲劳寿命具有重要意义。

镍基单晶高温合金蠕变疲劳损伤及寿命预测一直是国内外学者研究的重点。

文章基于蠕变疲劳理论和国内外研究情况，阐述了稳态蠕变本构关系和θ映射蠕变模型，介绍了几种典型的镍基单晶高温合金的蠕变疲劳寿命模型。

文章分析指出，当前在工程应用中主要采用单晶合金的蠕变疲劳宏观模型，而微观模型的研究还处于探索阶段，建议用微观模型建立蠕变寿命预测方法，分析微观理论机制，有望提高预测精度与蠕变寿命。

20世纪80年代开始，镍基单晶高温合金在发动机上的广泛应用促进了世界各国航空发动机迅速发展，被誉为是航空发动机发展的重大技术之一[1]。

镍基单晶合金因其具备卓越的高温性能而广泛应用于发动机的热端部件。

对于发动机内部高温旋转部件而言，高温离心负荷作用下的蠕变变形和蠕变断裂是其设计限制条件[2]。

因此，国内外很多学者研究了单晶叶片的蠕变损伤。

目前单晶合金的蠕变疲劳宏观模型在工程中得到了广泛应用，但微观模型的研究不仅更加精确，而且更具物理意义。

本文主要介绍国内外关于单晶合金蠕变-疲劳寿命评估方法的研究进展，并对实验预测结果进行了比较。

稳态蠕变本构关系金属蠕变是指金属材料在静应力作用下，即使作用稳态应力足够小，只要作用时间足够长，应变依旧变大的现象。

金属疲劳通常指的是在交变载荷作用下金属发生破坏的现象，而蠕变疲劳通常指的是黏弹性材料承受交变载荷作用时的疲劳[3]。