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]。

镍基单晶合金力学特性及其在冷却涡轮叶片上的应用分析一、本文概述本文旨在深入研究和探讨镍基单晶合金的力学特性，以及其在冷却涡轮叶片上的具体应用。

镍基单晶合金，以其出色的高温性能、优良的抗氧化性和卓越的机械强度，在航空航天领域，特别是在高性能涡轮发动机的设计制造中占据了重要地位。

涡轮叶片作为发动机中的关键部件，其性能直接影响到发动机的整体效率和安全性。

因此，研究镍基单晶合金的力学特性，以及如何利用这些特性优化涡轮叶片的设计和制造，具有重要的理论和实践意义。

本文首先将对镍基单晶合金的基本力学特性进行详细的分析，包括其强度、韧性、蠕变行为等关键性能指标。

接着，将探讨这些特性在高温、高应力等复杂环境下的变化规律，以及影响这些变化的主要因素。

在此基础上，本文将进一步分析镍基单晶合金在冷却涡轮叶片上的应用，包括叶片的设计、制造、性能测试等方面。

本文将总结镍基单晶合金在涡轮叶片领域的应用现状和发展趋势，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考和启示。

二、镍基单晶合金的力学特性镍基单晶合金，作为一种高性能材料，具有许多独特的力学特性，这些特性使其在航空、航天等高科技领域，特别是在冷却涡轮叶片的制造中发挥了重要作用。

镍基单晶合金具有极高的高温强度。

在高温环境下，许多金属材料的强度会大幅度下降，而镍基单晶合金则能在高温下保持较高的强度，这对于需要承受高温环境的涡轮叶片来说是非常重要的。

镍基单晶合金具有优异的抗蠕变性能。

蠕变是指材料在长时间持续应力作用下发生的缓慢塑性变形。

镍基单晶合金的优异抗蠕变性能使其在高温和长期应力作用下能够保持较好的尺寸稳定性，这对于涡轮叶片等需要长期承受高温和应力的部件来说至关重要。

镍基单晶合金还具有较好的延展性和韧性。

这意味着在受到外力冲击时，镍基单晶合金能够吸收较多的能量，而不易断裂，从而提高了部件的安全性和可靠性。

镍基单晶合金还具有良好的抗氧化性能。

在高温环境下，金属材料容易发生氧化，导致性能下降。

《Ni-Cr-Fe-Al-Ti系高熵合金的纳米析出强化及其力学行为研究》篇一一、引言随着现代科技的发展，合金材料因其卓越的物理、化学和机械性能被广泛应用于各个领域。

近年来，高熵合金以其优异的性能吸引了众多研究者的关注。

特别是Ni-Cr-Fe-Al-Ti系高熵合金，由于其优异的耐腐蚀性、高温稳定性以及良好的力学性能，已成为材料科学领域的研究热点。

本文将重点研究Ni-Cr-Fe-Al-Ti系高熵合金的纳米析出强化及其力学行为。

二、Ni-Cr-Fe-Al-Ti系高熵合金的纳米析出强化纳米析出强化是一种重要的合金强化机制，其基本原理是通过在基体中形成纳米尺度的第二相粒子，从而提高合金的力学性能。

在Ni-Cr-Fe-Al-Ti系高熵合金中，纳米析出强化的实现主要依赖于合金元素的合理配比和热处理工艺。

首先，合金元素的配比对纳米析出强化具有重要影响。

Ni、Cr、Fe、Al和Ti等元素的配比决定了合金的相结构和化学成分，进而影响纳米粒子的形成和分布。

通过调整各元素的含量，可以优化合金的微观结构，从而增强其力学性能。

其次，热处理工艺对纳米析出强化的影响也不容忽视。

适当的热处理可以促使合金中的元素进行有序排列，从而形成更加稳定的纳米结构。

在高温处理过程中，合金元素将发生扩散，使得第二相粒子更加均匀地分布在基体中，从而提高合金的强度和韧性。

三、Ni-Cr-Fe-Al-Ti系高熵合金的力学行为研究Ni-Cr-Fe-Al-Ti系高熵合金的力学行为主要表现在其强度、塑性和韧性等方面。

纳米析出强化对合金的力学性能具有显著影响。

通过合理的元素配比和热处理工艺，可以优化合金的微观结构，从而提高其强度和韧性。

此外，该合金还具有良好的塑性，使得其在受到外力作用时能够发生一定的形变而不断裂。

四、结论本文研究了Ni-Cr-Fe-Al-Ti系高熵合金的纳米析出强化及其力学行为。

通过调整合金元素的配比和采用适当的热处理工艺，可以优化合金的微观结构，从而增强其力学性能。

第４２卷第４期２０２３年８月沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＬｉｇｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ ４２Ｎｏ ４Ａｕｇ ２０２３收稿日期:２０２２－１２－２７基金项目:国家自然科学基金项目(５１８７１２２１)作者简介:祝祥(１９９７ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎮ通信作者:杜晓明(１９７６ )ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向为先进铝合金的制备与加工成型ꎮ文章编号:１００３－１２５１(２０２３)０４－００６９－０６ＤＤ４１９镍基单晶高温合金９８０ħ下低周疲劳行为研究祝㊀祥１ꎬ杜晓明１ꎬ刘纪德２(１.沈阳理工大学材料科学与工程学院ꎬ沈阳１１０１５９ꎻ２.中国科学院金属研究所ꎬ沈阳１１００１６)摘㊀要:对ＤＤ４１９镍基单晶高温合金在９８０ħ下的低周疲劳行为进行试验研究ꎬ并对疲劳数据进行分析ꎬ获得该温度下合金疲劳参数ꎮ结果表明:该合金低周疲劳变形过程中ꎬ弹性变形起主要作用ꎬ塑性变形较低ꎻ循环应力响应行为以先循环软化㊁再趋于稳定为主要方式ꎬ并且随着应力幅的增加ꎬ循环寿命不断降低ꎮ低应变幅下ꎬ合金的疲劳断裂表现为脆性断裂的特征ꎬ并呈现出明显的多源疲劳特征ꎬ微观断口形貌的主要特征是出现准解理台阶ꎬ可判断准解理断裂是主要的断裂机制ꎮ关㊀键㊀词:镍基单晶高温合金ꎻ低周疲劳ꎻ疲劳寿命ꎻ断裂机制中图分类号:ＴＵ９７３.２＋５４文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００３－１２５１.２０２３.０４.０１１ＳｔｕｄｙｏｎＬｏｗＣｙｃｌｅＦａｔｉｇｕｅＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＤＤ４１９ＮｉｃｋｅｌＢａｓｅＳｉｎｇｌｅＣｒｙｓｔａｌＳｕｐｅｒａｌｌｏｙａｔ９８０ħＺＨＵＸｉａｎｇ１ꎬＤＵＸｉａｏｍｉｎｇ１ꎬＬＩＵＪｉｄｅ２(１.ＳｈｅｎｙａｎｇＬｉｇｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１０１５９ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１００１６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｌｏｗ￣ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＤＤ４１９Ｎｉｃｋｅｌ￣ｂａｓｅｄｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙａｔ９８０ħｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｄａｔａｉｓａｎａｌｙｚｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｐａ￣ｒａｍｅｔｅｒｓ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｌａｙｓａｍａｊｏｒｒｏｌｅｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬｗｈｉｌｅｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌｏｗ.Ｔｈｅｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓｒｅ￣ｓｐｏｎｓｅｂｅｈａｖｉｏｒｉｓｃｙｃｌｉｃｓｏｆｔｅｎｉｎｇｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇꎬａｎｄｔｈｅｃｙｃｌｉｃｌｉｆｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｓｔｒｅｓｓａｍｐｌｉｔｕｄｅ.Ａｔｌｏｗｓｔｒａｉｎａｍｐｌｉｔｕｄｅꎬｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｌ￣ｌｏｙｓｈｏｗｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｒｉｔｔｌｅｆｒａｃｔｕｒｅꎬａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｓｏｂｖｉｏｕｓｍｕｌｔｉ￣ｓｏｕｒｃｅｆａｔｉｇｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ.Ｔｈｅｍａｉｎｆｅａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｉｓｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｑｕａｓｉ￣ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｆｒａｃｔｕｒｅꎬｂｙｗｈｉｃｈｉｔｃａｎｂｅｊｕｄｇｅｄｔｈａｔｔｈｅｑｕａｓｉ￣ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｆｒａｃｔｕｒｅｉｓｔｈｅｍａｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｎｉｃｋｅｌ￣ｂａｓｅｄｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙꎻｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅꎻｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅꎻｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ㊀㊀ＤＤ４１９镍基单晶高温合金相较于其他高温合金ꎬ具有高温强度高㊁综合力学性能好㊁铸造工艺性能良好等优势ꎬ广泛应用在航空发动机的涡轮叶片中[１]ꎮ与国外的ＣＭＳＸ￣４高温合金相比ꎬＤＤ４１９合金在拉伸性能㊁蠕变性能㊁抗氧化性能㊁耐热和耐腐蚀等方面的表现基本相近[２－３]ꎬ且其含铼元素少㊁制备成本低㊁使用范围更广ꎮ疲劳是高温合金最主要的失效形式ꎬ低周疲劳损伤又是涡轮叶片材料的主要失效形式之一ꎮ为确保构件服役过程中的安全与稳定ꎬ很多学者研究了高温合金材料的疲劳性能ꎮＦａｎ等[４]研究了镍基单晶高温合金ＤＤ１０分别在温度为７６０ħ和９８０ħ下不同应变幅的低周疲劳行为ꎬ结果表明:在高应变范围内ꎬ由于塑性变形ꎬ合金在７６０ħ时更容易萌生裂纹ꎻ在低应变范围内ꎬ９８０ħ时断口会出现明显的氧化损伤ꎬ加速了裂纹萌生ꎮＣｈａｒｌｅｓ等[５]研究了ＣＭＳＸ￣４合金低周疲劳过程中位错结构的变化ꎬ得出位错形态在低应力下类似于蠕变㊁高应力下与拉伸断裂类似的结论ꎮＤＤ４１９合金常作为燃气轮机涡轮叶片材料ꎬ其工作温度通常能达到９８０ħꎮ因此ꎬ本文研究ＤＤ４１９合金在９８０ħ下的低周疲劳断裂行为ꎬ并从理论上分析应变－寿命关系㊁循环应力响应行为及疲劳裂纹的产生与扩展行为之间的关系ꎬ以期获得关于该合金低周疲劳行为较为完整的认识ꎮ１㊀试验部分１.１㊀试样的制备试验选用含Ｒｅ第二代镍基单晶高温合金ꎬ其成分含量见表１ꎮ首先ꎬ用真空感应炉(ＶＩＤＰ￣２５型ꎬ沈阳真空技术研究所有限公司)冶炼试验合金的母合金ꎬ并在真空条件下浇铸形成母合金铸锭ꎬ采用螺旋选晶法ꎬ在工业用大型双区域加热真空高梯度单晶炉(ＺＧＤ￣２型ꎬ锦州航星真空设备有限公司)中制备具有<００１>取向的单晶棒材ꎻ然后ꎬ用热电偶温度计测量箱式热电阻炉(ＣＷＦ型ꎬ德国ＣＡＲＢＯＬＩＴＥＧＥＲＯ公司)的温度ꎬ测温结果满足ʃ５ħ的误差范围内再对单晶棒材进行热处理操作ꎻ之后ꎬ进行固溶处理(温度１２８０~１３００ħꎬ时间为９ｈꎬ空冷)ꎻ最后ꎬ进行两级时效处理(温度１１１０~１１５０ħꎬ时间４ｈꎬ空冷ꎻ温度８７０ħꎬ时间１４ｈꎬ空冷)ꎮ经完全热处理之后ꎬ将单晶棒材试样加工成如图１所示的尺寸ꎮ图１㊀单晶棒材试样尺寸表１㊀ＤＤ４１９合金成分含量(质量分数)％ＣｒＣｏＷＭｏＲｅＡｌＴｉＴａＨｆＮｉ６.８０９.３０６.５０１.００３.００５.８０１.１０６.５００.０９余量１.２㊀试验方法低周疲劳试验在电液伺服疲劳试验机(１００ｋＮ￣８型ꎬＭＴＳ系统公司)上进行ꎬ试验温度为９８０ħꎬ试验数据采集(按照对数采集)与处理全部在计算机上进行ꎮ具体试验条件见表２ꎮ表２㊀高温低周疲劳试验条件试验温度/ħ试验波形应变比应变速率/ｓ－１加载频率/Ｈｚ介质控制方式９８０三角波０.０５０.００６０.１５~０.３空气恒定应变㊀㊀ＤＤ４１９合金试样在低周疲劳试验后ꎬ采用线切割切下约２~３ｍｍ的断口试样ꎬ切割时尽量避０７沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第４２卷免破坏或污染切割部位ꎮ切割结束后将断口试样置于盛有丙酮溶液的烧杯中ꎬ并用超声波仪器清洗ꎬ冲洗完毕后烘干ꎬ得到清洁干净的断口试样ꎮ随后ꎬ采用扫描电子显微镜(Ｓ￣３４００Ｎ型ꎬ日立公司)观察断口的宏观和微观形貌ꎮ２㊀结果与讨论２.１㊀应变－寿命行为测得ＤＤ４１９高温合金在９８０ħ下的弹性应变幅(Δεｅ/２)㊁塑性应变幅(Δεｐ/２)和总应变幅(Δεｔ/２)与疲劳寿命(２Ｎｆ)之间的关系ꎬ在双对数坐标系下绘制关系曲线ꎬ如图２所示ꎮ图２㊀应变－疲劳寿命关系曲线㊀㊀塑性应变幅值和弹性应变幅值的交点称为过渡寿命ꎬ图２中两条曲线无交点ꎬ故ＤＤ４１９合金低周疲劳过程中不存在过渡寿命ꎮ由图２可见ꎬ弹性应变幅远远大于塑性应变幅ꎬ这一特点与多数高强度镍基高温合金相似ꎮ因此ꎬ在低周疲劳区间ꎬ弹性应变在变形中占主导地位ꎬ材料疲劳寿命的长短主要取决于强度ꎮ文献[６]指出ꎬ多数钴基合金由于塑性较好ꎬ在断裂过程中塑性往往起主要作用ꎮ对于恒定应变幅控制下的应变－寿命曲线ꎬ可用Ｍａｎｓｏｎ￣Ｃｏｆｆｉｎ[７]寿命模型来表达ꎬ公式为Δεｔ２＝Δεｅ２＋Δεｐ２＝σｆᶄＥ(２Ｎｆ)ｂ＋εｆᶄ(２Ｎｆ)ｃ(１)式中:σｆᶄ为疲劳强度系数ꎻｂ为疲劳强度指数ꎻεｆᶄ为疲劳延性系数ꎻｃ为疲劳延性指数ꎻＥ为弹性模量ꎮ将应变比为０.０５的ＤＤ４１９低周疲劳数据进行拟合ꎬ得到与疲劳相关的系数ꎬ代入式(１)可得Δεｔ２＝０.０５８９(２Ｎｆ)－０.６１７３＋０.０２３３(２Ｎｆ)－０.１７８４(２)根据式(２)并利用线性回归分析方法即可确定ＤＤ４１９镍基单晶高温合金在９８０ħ下的低周疲劳参数σｆᶄ㊁εｆᶄ㊁ｂ㊁ｃꎬ如表３所示ꎮ表３㊀ＤＤ４１９合金疲劳参数试验温度/ħσｆᶄ/ＭＰａεｆᶄｂｃＫᶄ/ＭＰａｎᶄＥ/ＧＰａ９８０２０４９０.０５８９－０.１７８４－０.６１７３３９０７０.２６９１８８２.２㊀循环应力－应变关系材料的循环应力－应变曲线能较好地体现低周疲劳条件下材料的实际应力和应变特征ꎮＤＤ４１９高温合金循环应力－应变关系曲线如图３所示ꎮ图３中曲线由半寿命附近的滞回曲线获得ꎬ详见文献[８]ꎬ可采用下式描述Δσ２＝Ｋᶄ(Δεｐ２)ｎᶄ(３)式中:Δσ/２为应力幅ꎻＫᶄ为循环强度系数ꎻｎᶄ为循环应变硬化指数ꎮ通过对图３中的试验数据进行非线性拟合ꎬ即可确定Ｋᶄ与ｎᶄ值(见表３)ꎮ图３㊀循环应力－应变关系曲线２.３㊀循环应力响应行为循环应力响应行为主要包括循环硬化㊁循环１７第４期㊀㊀㊀祝㊀祥等:ＤＤ４１９镍基单晶高温合金９８０ħ下低周疲劳行为研究稳定和循环软化三个阶段ꎮ在恒定应变控制的低周疲劳循环中ꎬ随着加载周次增加ꎬ应力逐渐上升是循环硬化ꎬ反之为循环软化ꎮ循环硬化和软化现象与材料的位错运动有关[９]ꎬ循环硬化可导致材料性能下降甚至失效ꎬ循环软化常伴随着循环应力水平的快速下降ꎬ通常出现在已经充满了位错缠结和阻碍的冷加工合金中ꎮ循环应力响应曲线反映了双对数坐标下应力幅与循环周次的关系ꎬＤＤ４１９高温合金在９８０ħ下循环应力响应曲线如图４所示ꎮ图４㊀ＤＤ４１９在９８０ħ下循环应力响应曲线㊀㊀从图４中可看出ꎬＤＤ４１９合金的循环应力响应行为与应变幅的大小密切相关ꎬ随着总应变幅值的不断增加ꎬ合金所受应力幅值亦逐渐增大ꎬ且疲劳寿命随循环周次减小而缩短ꎮ当应变幅为０.３％时ꎬ合金在循环过程中的应力响应行为呈现先循环软化㊁再过渡到循环稳定阶段ꎬ随后出现短暂硬化阶段ꎬ最后过渡到循环稳定阶段ꎬ直至突然断裂ꎻ当应变幅为０.４％时ꎬ合金循环应力响应行为的整体趋势与总应变幅为０.３％时相近ꎬ不同之处在于总应变幅为０.４％时ꎬ合金循环稳定阶段的疲劳周次要少ꎬ且循环软化行为更加明显ꎻ当总应变幅为０.５％时ꎬ合金首先显示出循环硬化ꎬ继而转入循环稳定过程ꎬ最后萌生出裂纹ꎬ并发生突然断裂ꎻ在总应变幅达到０.６％㊁０.７％时ꎬ由于循环周次不断上升ꎬ合金的循环应力响应行为也趋于稳定ꎬ但在疲劳过程的中期ꎬ合金的循环应力响应曲线由循环硬化过渡到循环软化ꎬ而疲劳过程后期ꎬ循环应力响应曲线又呈现了迅速下降的态势ꎬ随之在很短的疲劳周次中出现了突然断裂ꎮ２.４㊀断口形貌分析镍基高温合金疲劳断口的一个典型特征是有多个疲劳源区[１０]ꎮ图５为总应变幅分别为０.３％㊁０.５％㊁０.６％下断口的宏观形貌ꎮ图５㊀不同应变幅下疲劳断口的宏观形貌㊀㊀宏观上看ꎬ高温合金的疲劳断口形貌一般都比较粗糙ꎬ断口颜色呈青蓝色ꎮ疲劳裂纹主要萌生于试样边缘及附近ꎬ且有多个疲劳源ꎮ从图５中可见ꎬ随着总应变幅的增加ꎬ断口边缘及表面出现的疲劳裂纹也逐渐变多ꎬ导致疲劳断裂拓展速率加快ꎬ疲劳寿命降低ꎮ另外ꎬ疲劳断口区域主要由疲劳源㊁疲劳扩展区和瞬断区三部分组成[１１－１２]ꎬ图中Ａ㊁Ｂ㊁Ｃ分别代表疲劳源区㊁疲劳扩展区和瞬断区ꎬ三个区域具有明显的特征ꎮ随着总应变幅的增大ꎬ断口中三个部分的面积也发生２７沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第４２卷了变化ꎬ其中瞬断区面积变化最大ꎬ在整个断口区域所占比重越来越大ꎻ随着低周疲劳测试过程中总应变幅的增加ꎬ合金在低周疲劳过程中承受的外加载荷逐渐增大ꎬ从而导致ＤＤ４１９合金低周疲劳断口中瞬断区的面积逐渐增大ꎮ图６为不同应变幅下疲劳断口的微观形貌ꎮ对于同一合金ꎬ在低周疲劳试验过程中ꎬ随着应变幅值的增大ꎬ疲劳源区域的光滑度降低ꎬ平坦的小平面也减少ꎬ使得疲劳源区域表面逐渐变得粗糙ꎻ这是由于伴随应变幅值的增加ꎬ微观中滑移带或位错结构与合金中的强化粒子γᶄ相的交互作用加剧ꎬ导致强化粒子γᶄ相失去其有序结构ꎬ降图６㊀不同应变幅下疲劳断口的微观形貌低了γᶄ相对合金基体γ相的强化作用ꎬ从而导致合金的抗疲劳变形能力下降ꎬ合金的循环疲劳周次逐渐减少[１３]ꎮ因此ꎬ疲劳过程中疲劳源区的断面所经受的持续摩擦和挤压的次数也在减少ꎬ表面的光滑程度也逐渐降低ꎮ在低应变幅下ꎬ疲劳扩展区断口处存在明显的裂纹ꎬ并沿晶面拓展ꎬ如图６(ａ)所示ꎻ断口表面存在许多短小的裂纹ꎬ局部区域存在撕裂棱和准解理台阶的特征ꎬ扩展区还出现不明显的疲劳辉纹ꎬ可能是氧化腐蚀较严重导致ꎬ如图６(ｂ)所示ꎻ部分区域还存在很多深浅不一的韧窝和孔洞ꎬ如图６(ｃ)所示ꎮ瞬断区断口处有明显的金属滑移痕迹ꎬ并出现了准解理台阶ꎬ因此可判断合金的断裂机制为准解理断裂ꎮ文献[１４－１５]指出ꎬ随温度的上升ꎬ更容易发生位错的交滑移和攀移ꎬ在不动位错累积到一定水平时ꎬ就会出现准解理断裂ꎮ３㊀结论本文研究了ＤＤ４１９镍基单晶高温合金在９８０ħ下的低周疲劳行为ꎬ得到如下结论ꎮ１)根据Ｍａｎｓｏｎ￣Ｃｏｆｆｉｎ寿命模型ꎬＤＤ４１９疲劳断裂过程中弹性变形起主要作用ꎮ２)９８０ħ下ꎬ由于位错的往复运动和交互作用ꎬＤＤ４１９镍基单晶高温合金的循环应力响应行为在０.３％㊁０.４％应变幅下表现为先循环软化ꎬ后由循环硬化过渡到循环稳定阶段ꎬ最后突然断裂ꎻ在０.５％应变幅下首先出现循环硬化ꎬ继而转入到循环稳定阶段ꎬ最后断裂ꎻ０.６％㊁０.７％应变幅下表现为先稳定阶段ꎬ后循环硬化又过渡到循环软化ꎬ最后逐渐稳定ꎬ直至突然断裂ꎮ３)ＤＤ４１９镍基单晶高温合金在９８０ħ低周疲劳断裂特征表现为明显的多裂纹源性ꎬ随着应变幅的降低ꎬ裂纹数目也逐渐减少ꎬ疲劳寿命随之增加ꎮ在０.３％㊁０.５％㊁０.６％应变幅下ꎬ裂纹萌生于试样表面位置ꎬ出现准解理台阶ꎬ因此判断合金的断裂机制为准解理断裂ꎮ参考文献:[１]史振学ꎬ胡颖涛ꎬ刘世忠.不同温度下镍基单晶高温合金的低周疲劳性能[Ｊ].机械工程材料ꎬ２０２１ꎬ４５３７第４期㊀㊀㊀祝㊀祥等:ＤＤ４１９镍基单晶高温合金９８０ħ下低周疲劳行为研究(３):１６－２０ꎬ２８.[２]赵运兴ꎬ员莹莹ꎬ马德新ꎬ等.高温合金ＣＭＳＸ￣４和ＤＤ４１９单晶铸件中共晶含量的试验研究[Ｊ].航空制造技术ꎬ２０２２ꎬ６５(１７):７４－８０.[３]李寒松ꎬ孙士江ꎬ刁爱民ꎬ等.热等静压对ＤＤ４１９单晶高温合金组织与持久性能的影响[Ｊ].铸造ꎬ２０２１ꎬ７０(５):５５４－５５９.[４]ＦＡＮＺＤꎬＷＡＮＧＤꎬＬＯＵＬＨ.Ｃｏｒｐｏｒａｔｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｔｒａｉｎｒａｎｇｅｏｎｔｈｅｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆａｓｉｎｇｌｅ￣ｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＤＤ１０[Ｊ].ＡｃｔａＭｅｔ￣ａｌｌｕｒｇｉｃａＳｉｎｉｃａ(ＥｎｇｌｉｓｈＬｅｔｔｅｒｓ)ꎬ２０１５ꎬ２８(２):１５２－１５８.[５]ＣＨＡＲＬＥＳＣＭꎬＤＲＥＷＧＡꎬＢＡＧＮＡＬＬＳꎬｅｔａｌ.Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｄｕｒｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｏｆｔｈｅｎｉｃｋｅｌ￣ｂａｓｅｄｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＣＭＳＸ￣４[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅＦｏｒｕｍꎬ２００７ꎬ６２:５４６－５４９.[６]储昭贶ꎬ于金江ꎬ孙晓峰ꎬ等.ＤＺ９５１合金的持久性能与断裂行为[Ｊ].稀有金属材料与工程ꎬ２００９ꎬ３８(５):８３４－８３７.[７]张罡ꎬ龙占云ꎬ赵凯ꎬ等.ＷＦＧ３６Ｚ钢焊接接头低周疲劳性能与寿命的试验研究[Ｊ].沈阳工业学院学报ꎬ１９９４(２):７－１２.[８]刘雪莹ꎬ陈立佳ꎬ周舸ꎬ等.应变波形对Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５合金低周疲劳性能的影响[Ｊ].稀有金属材料与工程ꎬ２０２１ꎬ５０(４):１２６３－１２６９.[９]水丽.应变幅对一种新型镍基单晶高温合金高温低周疲劳性能的影响[Ｊ].机械工程材料ꎬ２０２２ꎬ４６(６):３１－３５ꎬ４３.[１０]刘柳.一种镍基单晶高温合金低周疲劳行为的研究[Ｄ].沈阳:东北大学ꎬ２０１６.[１１]ＳＨＵＩＬꎬＬＩＵＰ.Ｌｏｗ￣ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｎｉｃｋｅｌｂａｓｅｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙａｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ[Ｊ].ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１５ꎬ４４(２):２８８－２９２.[１２]闫鹏ꎬ冯寅楠ꎬ乔双ꎬ等.镍基变形高温合金低周疲劳研究进展[Ｊ].稀有金属ꎬ２０２１ꎬ４５(６):７４０－７４８. [１３]张敏.一种镍基单晶高温合金蠕变损伤行为研究[Ｄ].沈阳:沈阳工业大学ꎬ２０２２.[１４]朱强.ＧＨ４６９８镍基合金高温低周疲劳行为及断裂机理[Ｄ].哈尔滨:哈尔滨工业大学ꎬ２０１６.[１５]孙超.Ｎ１８合金低周疲劳行为研究[Ｄ].成都:西华大学ꎬ２００６.(责任编辑:徐淑姣)(上接第６８页)[２６]刘铠铭ꎬ姜秀榕ꎬ林昕ꎬ等.羧甲基壳聚糖对Ｃｒ(Ⅵ)吸附性能及吸附热力学㊁动力学研究[Ｊ].离子交换与吸附ꎬ２０２１ꎬ３７(３):２３４－２４３.[２７]ＪＵＳＧꎬＸＵＥＦꎬＱＩＡＮＪＹꎬｅｔａｌ.ＳｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆＧａ３＋ｄｏｐｅｄｌｉｔｈｉｕｍｍａｎｇａｎｅｓｅｉｏｎｓｉｅｖｅｆｏｒＬｉ＋ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎａｎｄｉｔｓａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒ[Ｊ].Ｓｅｐａｒａ￣ｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２２ꎬ５７(１８):２９２３－２９３６. [２８]ＫＡＬＡＩＴＺＩＤＯＵＫꎬＺＯＵＢＯＵＬＩＳＡꎬＭＩＴＲＡＫＡＳＭ.Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓｔｕｄｙｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｒｅ￣ｍｏｖａｌｆｒｏｍｗａｔｅｒｕｓｉｎｇｉｒｏｎｏｘｙｈｙｄｒｏｘｉｄｅｓ[Ｊ].Ｗａ￣ｔｅｒꎬ２０２２ꎬ１４(７):１１６３.(责任编辑:宋颖韬)４７沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第４２卷。

镍基单晶高温合金高温低应力蠕变过程中典型变形机制研究进展杜云玲;牛建平【摘要】以镍基单晶高温合金高温低应力蠕变变形为主，简要介绍了蠕变过程中几个典型变形机制的研究进展，并分析合金蠕变过程研究中存在的问题。

%Giving priority to the deformation of high-temperature low-stress creep of Ni-based single crystal superalloys,several related typical deformation mechanisms were reviewed and the existing problems during creep were analyzed.【期刊名称】《沈阳大学学报》【年(卷),期】2016(028)006【总页数】7页(P431-437)【关键词】镍基单晶高温合金;高温低应力蠕变;筏化;位错;TCP相【作者】杜云玲;牛建平【作者单位】沈阳大学机械工程学院，辽宁沈阳 110044;沈阳大学机械工程学院，辽宁沈阳 110044【正文语种】中文【中图分类】TG146镍基高温合金(Ni-based Superalloys)由于具有优异的蠕变和疲劳抗力、良好的塑性和断裂韧性、良好的抗氧化和抗热腐蚀性,以及高温组织稳定性,广泛用于制作涡轮发动机等先进动力推进系统热端部件[1-4].高性能发动机的重要标志是具有高的推力和推重比,而要实现这些指标就需要不断地提高涡轮前进气口的温度,最大程度地提高燃机的效率.实现这一目标的关键在于持续提高发动机相应高温合金部件的承温能力,尤其是高压涡轮叶片和低压涡轮叶片的承温能力[4].在实际服役过程中,涡轮叶片处于高温、高应力等复杂恶劣的环境中,尤其是高压涡轮叶片承受着更高的温度和由于高速旋转造成的高离心应力.在这些外部条件的共同作用下,即使合金所受的应力水平远低于其屈服强度,叶片也会发生蠕变塑性累积,最终导致叶片断裂失效,因此蠕变行为是评价合金可靠性最重要的方面.航空发动机涡轮叶片在实际服役过程中各部位所受的温度和应力分布如图1和图2所示[5].从图1可以看出,尽管涡轮叶片已经拥有复杂高效的冷却通道以及热障涂层,涡轮叶片的大部分位置仍将面临较高的温度,而图2则显示,叶片经受高温的部分所受的应力相对较低(相对于低温部分).为此,各国研究者对镍基单晶高温合金的高温低应力蠕变行为进行了广泛的研究.本文以镍基单晶高温合金的高温低应力蠕变行为为主线,主要从蠕变过程中几个典型的现象出发,简要介绍单晶合金的蠕变行为研究进展. 蠕变是指试验材料在低于屈服极限的恒定应力(载荷)下发生持续塑性变形的累积,它具有一定的时间依赖性.涡轮叶片在实际服役时,大部分时间处于巡航状态,因此合金的变形以蠕变塑性累积为主.合金的蠕变性能与合金晶体的取向息息相关.一般而言,具有〈111〉取向的合金蠕变性能最高,〈011〉最低,而具有〈001〉方向的合金蠕变寿命与〈111〉相当或稍低;然而,具有〈001〉方向合金的疲劳性能显著优于具有〈111〉和〈011〉方向的合金,所以涡轮叶片在设计和实际使用过程中都尽可能使其受力沿[001] 方向,因而研究[001]取向的镍基单晶高温合金具有非常重要的实际意义.镍基单晶高温合金在高温低应力条件下的蠕变机制主要有以下几个方面.(1) 在高温、错配内应力和外加应力的综合作用下,γ/γ′两相结构发生的筏化(Rafting)现象;(2) 蠕变过程中界面位错网格的形成及其作用;(3) 位错切割γ′相的形式及其对合金蠕变行为的影响;(4) 拓扑密排(Topologically Closed Packed,TCP)相的析出.以上提到的这几种变形机制基本上构成了单晶高温合金的整个蠕变过程.1.1 镍基单晶高温合金蠕变过程中的筏化现象筏化现象是镍基单晶高温合金高温低应力蠕变过程中最为常见的现象.γ′相形筏源于应力梯度导致的合金元素定向扩散,即在应力梯度作用下,γ′相形成元素Al、Ti、Ta等和γ相形成元素Cr、Mo等沿相反方向扩散,致使γ′相沿特定方向生长并互相连接,最终导致γ′相形筏.因为γ′相形筏过程主要受固相扩散控制,故其形筏动力学呈非线性特征[6].Tien等[7]首先研究了[001]取向的镍基单晶高温合金外加应力方向与筏化方向的关系,发现γ′形筏不仅能改变γ′形貌,而且能显著影响γ/γ′界面位错网形成及合金元素在该界面的分布,故对合金力学性能具有重要影响.随后Fredholm 等[8]总结前人的观察结果后认为,对于[001]取向的镍基单晶高温合金,根据γ′相的筏状特征可将筏化现象主要分为筏化方向与外加应力垂直的N-型筏化,以及筏化方向与外加应力平行的P-型筏化.Pollock等[9]进一步研究了镍基单晶高温合金蠕变过程中的筏化现象,认为γ/γ′两相之间弹性应力场(错配度)对合金的筏化方向有决定作用,错配度为负值时,在拉伸条件下γ′相发生N-型筏化,在压缩条件下γ′相发生P-型筏化;而当错配度为正值时,情形刚好相反.研究表明,合金的错配度随着温度的变化而变化,也就是说合金在蠕变时发生的筏化类型与蠕变温度下的错配度的值和外加应力方向息息相关.Murakumo等[10]在研究γ′相体积分数不同的TMS-75镍基单晶高温合金的蠕变行为时发现,体积分数为80%的合金在蠕变断裂后,γ′相筏化方向与以上结论完全相反,认为此现象源于γ和γ′两相基体与析出相角色的互换,换句话说,在γ′析出相体积分数为80%时,其在合金中为“基体”,而体积分数为20%的γ相为“析出相”,从这个观点上看蠕变后的结果与先前的结论仍然一致.Nathal等[11]在研究CMSX-4合金高温蠕变性能时指出,γ′相形筏改变了γ与γ′相连接方式,使γ基体由包围着γ′变为镶嵌在γ′中,即发生拓扑倒置现象(Topological inversion),从而失去变形能力而易于断裂,故γ′相形筏不程度地降低合金蠕变强度.尽管蠕变中后期形成的筏型组织封闭了位错运动的横向通道,增加蠕变抗力,但形筏毕竟是γ′相粗化的结果,所以大多情况下对合金蠕变性能具有不利影响.筏化结构的出现对单晶高温合金来说难以避免,理论上错配度δ(通常定义δ=2(aγ ′-aγ)/(aγ ′+aγ),其中aγ和aγ ′分别为γ和γ′相的晶格常数)越接近于0,合金的两相结构越稳定,筏化过程越慢.如前所述,合金的错配度随温度的变化而变化,因此在实际设计时应尽量使合金高温时的错配度接近于零,从而延缓镍基单晶高温合金在高温时的筏化速率,提高合金的蠕变寿命.1.2 镍基单晶高温合金蠕变过程中位错的运动在镍基单晶高温合金的蠕变初期阶段,大量不同滑移系的a/2〈101〉{111}位错启动,领先的螺位错段在水平基体通道内不同的{111}平面发生交滑移,并在γ/γ′两相界面留下60°混合位错[12-13].由于在蠕变之初γ基体内位错的数量很少,因此大量的位错可以在基体内快速的萌生和增殖,在宏观蠕变曲线上表现为具有较高的蠕变速率,塑性应变累积迅速增加.Zhang等[13]认为,虽然60°位错的位错线方向主要沿〈110〉方向,并不是最佳的〈100〉错配方向,但这些界面位错仍然能够部分释放错配应力;随着蠕变的进行(蠕变初期阶段的末期),γ基体内的位错密度迅速增加,位错开始在γ/γ′界面塞积,位错的运动逐渐变得困难,蠕变曲线上表现为应变速率迅速降低,基体中不同滑移系的界面位错在温度、外加应力、错配应力以及位错之间应力场的相互作用下开始发生反应,形成界面位错网格[12-17].Lasalmonie等[14]利用透射电镜较早地研究了界面位错的性质,认为界面位错网格中的位错都具有刃型位错的特征,同时认为这些位错都源自于基体中的a/2〈101〉位错环(Dislocation loop).Lahrman和Field等[15]使用汇聚束电子衍射和X射线衍射重新研究了界面位错的性质,随后Field等[17]认为界面位错网格不可能源于基体中的位错环,界面位错网格的形成不需要位错长程攀移或者Orowan绕过,并提出了一种新的位错网格形成模型,即基体不同滑移系位错相互反应机制,如图3所示[17].这一模型比较合理的解释了实验中所观察到的处于演化过程中和蠕变断裂后的位错网格形态,因此被广泛接受.大部分研究者认为界面位错网格的密集程度与γ/γ′两相界面的错配度有关,错配度越大,位错网格越密集,因为密集的界面位错网格可以有效地释放错配应力.Zhang等[18]首先提出致密位错网格可以有效阻碍基体位错切入γ′析出相,延长稳态蠕变阶段,Harada课题组根据这一理论设计出一系列的镍基单晶高温合金,将位错网格从理论研究推向实际应用.但是需要指出的是,形成致密位错网格需要合金具有较负的错配度,而错配度绝对值越大合金筏化进程越快,因此如何协调延缓筏化过程,同时使合金具有致密的位错网格仍需要进一步研究. 1.3 超位错切割γ′析出相的方式成对的a/2〈101〉位错夹着反相畴界(Anti-phase domain boundary,APB)(称之为a〈101〉超位错)切割γ′析出相是镍基单晶高温合金高温低应力蠕变条件下最为常见的一种切割方式.这种位错一般认为是由相同{111}滑移面上柏氏矢量相同的两根a/2〈101〉位错在γ/γ′界面结合而成,如图4所示[19].当切入γ′析出相时,两根a/2〈101〉位错之间会产生一定的间距,这一间距取决于合金γ′析出相中的APB 能,一般情况下由于γ′析出相的APB能很高,所以两根a/2〈101〉位错之间的间距很小.实际上由于界面位错网格的阻碍作用和高的APB能,在合金的稳态蠕变过程中,与基体位错数量相比,切入γ′析出相的a〈101〉超位错数量很少,因此合金在稳态蠕变阶段的塑性应变累积并不显著.在合金蠕变变形的第三阶段,由于蠕变试样发生颈缩,合金所受的应力显著增加,在这一条件下相当数量的a〈101〉超位错切入γ′析出相,大大加速合金的塑性变形.虽然这种切割方式最为常见,但这种类型的位错在蠕变过程中所起的作用仍然并不清楚.镍基单晶高温合金在高温低应力蠕变过程中另一种重要的位错是a〈010〉超位错.该位错由Louchet等[20]在研究CMSX-4单晶高温合金的高温低应力蠕变时首先观察到,但是并没有将其与蠕变塑性变形联系起来;Eggeler等[21]利用透射电镜对CMSX-6单晶高温合金中a〈010〉超位错的类型及其形成过程进行了分析,认为这种类型的超位错是由两个柏氏矢量不同的a/2〈011〉基体位错在γ/γ′两相界面相遇并反应而形成的,在切入γ′析出相后由于其位于{001}面上,所以难以运动,只能以滑移和攀移相结合的方式运动,但他们并没有对位错核心进行深入分析;随后Dlouhy等[22]对蠕变过程产生的a〈010〉超位错进行了计算模拟,证实了Eggeler等的结论,但是依然没能说明位错核心是否致密;接着Srinivasan等[23]使用高分辨电镜(High resolution transmission electron microscope,HRTEM)证明a〈010〉超位错的位错核心并不致密,而是由两个不同柏氏矢量的分位错所组成,它们通过滑移和攀移两种过程的复合在γ′析出相中缓慢运动,其中攀移控制着合金的蠕变速率,并认为这一切割机制与稳态蠕变过程中合金可以保持较低的蠕变速率有关.实际上在很多单晶高温合金中都观察到了这种类型的超位错,如CMSX-4[20,23]、CMSX-6[21]和TMS-138[24]等,因此认为这种切割机制是一种基本的切割机制.以上两种类型的超位错切割γ′相是镍基单晶高温合金高温低应力蠕变时最基本的切割机制,对合金的塑性应变累积以及稳态蠕变速率均有重要影响.然而,到目前为止,超位错切割γ′析出相与合金蠕变性能退化之间的定量关系仍未建立.实际上,由于温度和应力的综合作用,镍基单晶高温合金中切割γ′相的位错类型可能不止以上两种类型,而位错之间的反应也不仅限于形成位错网格.因此,这一方面的研究工作仍然是今后研究的重点.1.4 TCP相的析出由于镍基单晶高温合金中含有大量的W、Cr、Mo和Re等合金元素,在高温低应力蠕变过程中,一些富含这些元素,且具有复杂晶体结构的金属间化合物会析出,这些金属间化合物一般称之为拓扑密排相(TCP相,如σ、μ、P和R相等)[25-27].TCP 相的晶体结构中只存在四面体间隙,原子高度密排,并且只允许配位数为12、14、15及16的四种Ksaper多面体存在,其化学式一般为AxBy,且A和B元素均为过渡族金属元素.常见TCP相的晶体学参数如表1所示[25].镍基单晶高温合金在高温蠕变的过程中,如果合金中的Cr、Mo、Re含量较高,就有析出σ相的趋势,且在第三、四代镍基单晶合金中析出的σ相通常具有较高含量的Re.σ相一般呈针片状析出,硬而脆.σ相的析出一方面削弱难熔元素的固溶强化效果,另一方面破坏γ/γ′两相组织的连续性,同时成为裂纹萌生的主要位置,导致合金的塑性和寿命降低,因此通常被认为是有害相.μ相一般呈针状、棒状、片状或颗粒状析出,通常认为W和Mo是μ相形成的决定性元素,在μ相中占有较大的比例.由于形貌及数量的差异,μ相对合金力学性能的影响也不尽相同[28].P相与σ相的晶体结构有着特殊的关系,并且化学成分也相似,所以P相与σ相经常在镍基单晶高温合金中共存,甚至可以相互转变[25].R相只有在少数镍基单晶合金的文献中提到[29],相关的信息鲜有报道.随着镍基单晶高温合金中难熔元素含量的增加,大量的TCP相在高温蠕变过程中析出,TCP相的析出消耗大量的合金元素,造成合金基体局部贫乏这些强化元素,从而降低基体合金的强度;另外,在蠕变的过程中位错难以切割TCP相,会在TCP/γ′相界面塞积,产生应力集中,造成两相界面开裂[26].因此,为了抑制TCP相的析出,Ru元素被引入高温合金体系中.近些年对TCP相的研究主要围绕Ru对TCP相析出的影响开展.Caron[30]指出,添加Ru可以提高TCP相析出的临界Md值,所以含Ru合金在长期热暴露下不易析出TCP相.Sato等[29]认为Ru增加了Re和W在γ相中的固溶度,从而降低了TCP相析出的概率;而Yeh等[26]发现添加Ru不但可以大幅度提高合金组织稳定性而且有助于合金蠕变过程中保持筏形组织的连续性;虽然在含Ru 合金中会出现TCP相,但数量较少,并且TCP相的生长也受到了很大的限制,相比于无Ru合金,含Ru合金的力学性能显著提高.目前,虽然众多研究者对Ru抑制TCP相的析出行为进行了广泛的研究,但是Ru的具体作用机理仍不清楚.例如,Ru的添加抑制TCP相的析出是因为下列四种情况的哪一种有待证实.(1) 改变了合金强化元素在枝晶干和枝晶间的分配系数,同时降低了其他元素的扩散速率;(2) 降低了TCP相的形核率;(3) 降低了TCP相的长大速率;(4) 外加应力的影响等.TCP相在合金中形核、长大的速度很快,一般在稳态蠕变阶段初期就已经开始析出,温度越高其析出速度越快.一般认为,尺寸较小或者颗粒状的TCP相对合金的高温蠕变性能影响不大,而粗大或者针片状的TCP相由于显著降低了γ、γ′两相组织的连续性,且难以被运动的位错切割,容易成为微裂纹的发源地,从而降低合金的高温蠕变性能.TCP相的析出过程比较复杂,且各相之间往往伴随着共生现象[25].因此,需要更详细的工作来描述TCP相析出与合金高温蠕变性能之间的定量关系.镍基单晶高温合金的蠕变过程非常复杂,上述几种变形机制可能在同一个蠕变过程中同时出现、相互影响.在高温低应力蠕变的初期,基体中的位错开始运动,同时筏化结构逐渐演化形成,对基体中的位错运动起到一定的阻碍作用,从而导致大量的位错在γ/γ′界面堆积、反应,形成位错网格;位错网格的形成可以显著阻碍超位错切割筏化的γ′相,对合金保持较高的稳态蠕变阶段起到重要的作用.实际上,TCP相的析出过程从蠕变的初期就已经开始进行,随着蠕变的进行其逐渐长大,由于TCP相的析出导致γ/γ′筏化结构被隔断,同时位错难以切入TCP相,因此在TCP/γ相界面容易产生微裂纹,导致合金最终断裂失效.因此,合金蠕变是一个复杂的,各种因素变形机制相互影响的过程.镍基单晶高温合金的蠕变性能作为衡量合金使役性能最重要的方式已经得到广泛研究,对高温低应力蠕变过程中几种主要的变形机制有较为深刻的认识,并取得了重要进展.虽然本文分开叙述这几种变形机制的研究进展,但在实际的变形过程中各机制彼此相互影响、相互关联,共同组成了复杂的蠕变过程.从合金研发和应用角度来看,今后对镍基单晶高温合金高温蠕变性能的研究主要集中在以下几个方面:(1) 建立镍基单晶高温合金筏化与蠕变性能退化的关联.通过研究高温合金γ′相筏化的热力学和动力学机制,探索延缓γ′相筏化的手段,建立合金筏化程度与蠕变性能的内在关联.(2) 研究不同类型的位错在高温低应力蠕变过程中的作用.探索位错与γ′相、TCP相以及孔洞等的微观交互作用机制,为提高合金的高温蠕变性能提供理论基础. (3) 探索抑制TCP相析出的方法.TCP相的析出损害合金的力学性能,在目前研究的基础上继续探索能有效抑制TCP相,并同时提高合金高温强度的新方法.[ 1 ] 孙晓峰,金涛,周亦胄,等. 镍基单晶高温合金研究进展[J]. 中国材料进展, 2012,31(12):1-11. (SUN X F,JIN T,ZHOU Y Z,et al. Research progress of nickel-base single crystal superalloys[J]. Rare Metals Letters, 2012,31(12):1-11.)[ 2 ] 李清华,赵志力. 真空冶金现状及发展前景[J]. 沈阳大学学报, 2003,15(2):35-37. (LI Q H, ZHAO Z L. The present situation and the prospect of vaccum metallurgy[J]. Journal of Shenyang University, 2003,15(2):35-37.)[ 3 ] 牛建平. 镍基高温合金的脱氮与脱硫[J]. 沈阳大学学报, 2003,15(2):5-8. (NIUJ P. Denitrogenation and desulphurization during VIM refining Ni-base superalloy[J]. Journal of Shenyang University, 2003,15(2):5-8.)[ 4 ] REED R C. The superalloys fundamentals and applications[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2006.[ 5 ] DYE D, MA A, REED R C. Numerical modelling of creep deformation in a CMSX-4 single crystal superalloy turbine blade[C]. Superalloy, 2008:911-919.[ 6 ] PEARSON D D,LEMKEY F D,KEAR B H. 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微观力学中的材料晶体塑性行为研究材料科学是一个广泛而细分的领域，其中微观力学是其中一个重要的分支。

在材料科学中，研究材料的塑性行为是非常关键的。

而材料的塑性行为大部分是与材料的结晶结构相关的。

因此，本文将探讨微观力学中的材料晶体塑性行为的研究进展。

一、晶体结构和塑性行为晶体是由原子或分子组成的，具有高度有序排列的结构。

晶体的结构决定了材料的性质，包括硬度、强度和塑性行为。

在晶体中，原子通过键结合在一起，形成晶体的晶格。

晶体的晶格结构决定了材料的应力-应变行为，并影响材料的塑性行为。

二、位错理论位错是晶体中的一种缺陷，是由于晶体中的原子错位引起的。

位错对材料的塑性行为起着重要的作用。

材料的位错密度决定了材料的塑性行为。

位错可以通过晶体的切割和滑移来传播，从而引起材料的形变。

切割和滑移是晶体塑性行为的两个基本机制。

三、内应力与塑性行为内应力是材料中的原子之间相互作用产生的力。

内应力影响了材料的晶体结构和位错行为。

当材料受到外部应力时，内应力会导致位错的产生和运动，从而引起材料的塑性变形。

内应力和位错行为之间的相互作用是材料塑性行为研究的重点。

四、晶体塑性行为的模拟方法为了深入理解材料晶体的塑性行为，研究者们使用多种模拟方法来模拟和预测材料的塑性行为。

其中，分子动力学模拟和有限元分析是最常用的方法之一。

通过这些模拟方法，研究者可以模拟材料的变形和研究位错行为，从而揭示材料的塑性行为。

五、塑性行为的改进与应用了解和研究材料的晶体塑性行为对于改进材料的力学性能和应用具有重要意义。

通过优化材料的晶体结构和控制位错行为，可以改变材料的塑性行为。

这对于开发高强度和高韧性的材料非常重要。

此外，对材料晶体塑性行为的研究还有助于设计和制造先进的材料和结构，如高速列车轨道和新型电子器件。

六、结论微观力学中的材料晶体塑性行为的研究对于理解材料的力学性能和应用具有重要意义。

通过深入了解晶体的结构、位错行为和内应力的相互作用，可以揭示材料的塑性行为机制，从而指导材料的设计和改进。

某镍基单晶高温合金塑性变形与失效分析李林骏; 胡绪腾; 宋迎东; 孟卫华【期刊名称】《《航空发动机》》【年(卷),期】2019(045)005【总页数】6页(P97-102)【关键词】镍基单晶高温合金; 各向异性; 广义Hill准则; 反衍优化; 失效分析; 航空发动机【作者】李林骏; 胡绪腾; 宋迎东; 孟卫华【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院南京210016; 机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016; 中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002【正文语种】中文【中图分类】V231.910 引言镍基单晶高温合金具有良好的高温性能，广泛应用于高性能航空发动机上[1-2]。

然而，镍基单晶合金具有宏观各向异性的特点，其塑性变形与失效分析一直是难点。

目前，用于分析预测镍基单晶高温合金受载变形行为的方法大致分为宏观唯像法与细观晶体塑性理论2类[3-6]。

晶体塑性理论必须考虑单晶材料的滑移规律，而滑移规律十分复杂，且该类理论用于分析3维问题时，在数值积分上具有较大难度，因此在工程应用中受到较大限制[7-8]；宏观唯像法以Hill模型[9-10]为代表，在von mises模型的基础上，通过引入各向异性参数，可以对正交各向异性材料进行力学行为分析。

此类模型较为简便，广泛应用于工程实际中，许多学者对此模型进行了修正与改进。

丁智平等[3]通过增加1项由应力偏张量分量的2次乘积项构成的应力不变量，对Hill屈服模型进行修正，能够较好地预测出拉剪耦合效应的影响；赵萍等[11]通过在Hill屈服准则中加入含有剪切应力的项对初始Hill屈服准则进行修正，修正后的模型能够对DD3单晶的[001]、[110]、[111]3个取向的屈服应力进行较为准确地预测；C.F.SHIH等[12]细化了表征屈服应力取向依赖性的参数，并引入描述拉压屈服应力不对称的参数，提出了广义Hill模型。

以上研究大多集中在对镍基单晶高温合金屈服强度的预测上，并没有考虑屈服后材料的塑性变形行为与材料在复杂应力状态下所能承受的极限载荷预测。

基于位错密度的晶体塑性有限元方法的数值模拟及参数标定叶诚辉;魏啸;陆皓【期刊名称】《材料导报》【年(卷),期】2016(030)008【摘要】运用ABAQUS有限元分析软件对基于位错密度的晶体塑性有限元方法(CPFEM)及其晶体塑性参数进行了深入的研究.结果表明,CPFEM晶体塑性本构可以准确地体现材料的力学性能.通过讨论不同晶体塑性参数,得到各个参数可以分别控制材料的屈服强度、硬化过程、剪切应变速率、极限强度等性能.此外,为了标定材料的晶体塑性参数引入多晶的代表体积单元(RVE)模型,并讨论了晶粒数以及晶粒规整度对于RVE模型的影响.结果表明,RVE模型的晶粒数达到临界值750个时能够体现等轴晶的宏观各向同性.结合晶体塑性RVE模拟和拉伸试验结果,对Inconel 718合金的晶体塑性参数进行标定,晶体塑性有限元的模拟结果和实验结果的误差小于5％.证明经过标定的晶体塑性参数可以准确反映Inconel 718的力学性能,也使得进一步研究该合金介观晶粒尺度的力学性能成为可能.【总页数】7页(P132-137,142)【作者】叶诚辉;魏啸;陆皓【作者单位】上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240;上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240;上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TG302【相关文献】1.基于晶体塑性理论的疲劳裂纹起始数值模拟 [J], 刘俊卿;李蒙;左帆;刘红;曹书文2.基于非局部位错密度晶体塑性有限元模型的金属晶体薄膜微弯曲变形特点 [J], 章海明;董湘怀;王倩;李河宗3.基于晶体塑性有限元方法的不同变形状态下织构演化预测 [J], 李宏伟;杨合4.基于非局部位错密度晶体塑性有限元模型的金属晶体薄膜微弯曲变形特点 [J], 章海明;董湘怀;王倩;李河宗;5.基于晶体塑性理论的大变形数值模拟技术 [J], 刘海军;方刚;曾攀因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。