[发明专利]一种镍基单晶高温合金的高周疲劳寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种镍基单晶高温合金的高周疲劳寿命预测方法，综合考虑缺陷的形状、位置以及尖端塑性区的影响，构建由缺陷的形状因子、位置因子组成的并考虑尖端塑性区的D参数，并依据D参数构建寿命预测模型。该方法能够实现对含缺陷的镍基单晶高温合金高周疲劳寿命的有效预测。

技术领域

本发明属于疲劳寿命预测领域，特别涉及一种镍基单晶高温合金的高周疲劳寿命预测方法。

背景技术

镍基单晶高温合金具有高温强度高、抗氧化性强、抗疲劳性能优异等优点，是先进航空发动机涡轮叶片的主要选用材料。在涡轮叶片服役过程中，高周疲劳是一种常见的失效方式。镍基单晶铸造缺陷处应力集中，疲劳裂纹因此在缺陷萌生。

缺陷处应力集中程度不仅与缺陷的尺寸有关，还与缺陷的形状以及到表面位置有关，根据有限元分析结果，对于同一个缺陷，越靠近表面，其应力集中程度越严重。

缺陷可以视作一种裂纹。当承受外加载荷时，裂纹尖端会形成塑性区，塑性区的出现降低了材料的刚度，相当于裂纹的增长。因此，在考虑缺陷尺寸对应力集中程度的影响时，需要将塑性区考虑在内。

以往的针对含缺陷的镍基单晶高周疲劳寿命预测模型仅仅考虑了缺陷大小的影响，因此，构建一个应力集中参数，该参数体现缺陷的形状、大小、位置以及塑性区对缺陷处应力集中程度的影响，并通过该参数来预测含缺陷的镍基单晶高周疲劳寿命是十分有意义的。

发明内容

为实现上述目的，本发明提出一种新的参数D，并将该参数用于寿命预测。该参数综合考虑了缺陷的形状、大小、位置的影响，还考虑了裂纹尖端塑性区的影响。本发明采用下述技术方案：

一种镍基单晶高温合金高周疲劳寿命预测方法，寿命预测方法是基于D参数的，D参数的表达式为：

式中，L为位置应力强度因子，S为圆度构成形状因子，a为缺陷尺寸，σ_y为屈服强度，σ为应力。

进一步，包括以下步骤：

(1)进行高周疲劳试验，获取寿命、应力以及断口；

(2)测量裂纹萌生处缺陷的缺陷面积area_defect、缺陷周长C_defect、缺陷尺寸a、缺陷到表面距离d_defect、断口直径d；

(3)通过有限元分析，确定位置应力强度因子L与d_defect/d的关系式：

L＝f(d_defect/d)；

(4)构建圆度构成形状因子S：

(5)根据步骤(1)～步骤(4)，构建D参数；

(6)根据参数D，建立寿命预测模型。

进一步，所述寿命预测模型为：

lgN_f＝α-βlg(I)

ΔD＝D_max-D_min式中，N_f为疲劳寿命；σ_max为最大拉应力；σ_min为最小拉应力；当应力为负时，σ_min＝0；ΔD_th表示各试件ΔD参数值中的最小值，Δσ＝σ_max-σ_min，α、β为拟合参数。

本发明相对于现有技术的有益效果：