一種高溫合金蠕變壽命預(yù)測(cè)方法
【專利說(shuō)明】-種高溫合金蠕變壽命預(yù)測(cè)方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明屬于材料科學(xué)與工程技術(shù)應(yīng)用，具體設(shè)及高溫合金蠕變壽命預(yù)測(cè)方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 自20世紀(jì)30年代開(kāi)始，世界各國(guó)開(kāi)始高溫合金的研究，并在接下來(lái)的半個(gè)多世紀(jì) 中迅猛發(fā)展。高溫合金W其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性 能、斷裂初性等綜合性能，被廣泛應(yīng)用于制造航空、艦艇和工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)的滿輪葉片、導(dǎo) 向葉片、滿輪盤(pán)、高壓壓氣機(jī)盤(pán)和燃燒室等高溫部件，已成為軍民用燃?xì)鉂M輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部 件不可替代的關(guān)鍵材料。
[0005] 高溫合金在服役過(guò)程中通常會(huì)因?yàn)槿渥冏冃螌?dǎo)致失效，從而造成巨大的損失。因 此若能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)高溫合金蠕變時(shí)間，尤其是某一蠕變應(yīng)變條件對(duì)應(yīng)的蠕變中斷時(shí)間， 則可對(duì)高溫合金服役時(shí)間進(jìn)行有效的管理，在避免造成合金蠕變失效的情況下最大程度地 對(duì)其進(jìn)行利用。
[0006] 從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，各種蠕變壽命預(yù)測(cè)模型被提出。1982年R.M. Evans等人提 出通過(guò)對(duì)蠕變曲線進(jìn)行描述，從而預(yù)測(cè)蠕變壽命的方法，稱為"Θ投影法"。Θ投影法認(rèn)為蠕 變過(guò)程可分為材料軟化過(guò)程和材料硬化過(guò)程，且將材料軟化過(guò)程和材料硬化過(guò)程均W指數(shù) 方程的形式表示，二者疊加可得Θ投影法方程。由于其不僅能對(duì)不同條件下的蠕變斷裂時(shí)間 進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)還可預(yù)測(cè)某一蠕變應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的蠕變中斷時(shí)間，Θ投影法在提出后被廣泛應(yīng) 用于各種類型的合金。但是，Θ投影法的提出基于理想蠕變條件，即溫度和應(yīng)力均為恒定;而 在真實(shí)蠕變過(guò)程中，蠕變工程應(yīng)力恒定，隨著應(yīng)變量的增加，蠕變樣品的橫截面逐漸縮小， 從而導(dǎo)致蠕變真應(yīng)力逐漸增加，二者互相矛盾。由于蠕變過(guò)程中形狀變化導(dǎo)致的應(yīng)力變化 不可避免，且會(huì)導(dǎo)致蠕變壽命低于恒定應(yīng)力下的蠕變壽命，從而使得利用模擬蠕變中斷曲 線所得的Θ投影法方程預(yù)測(cè)同一條件下更高應(yīng)變對(duì)應(yīng)的蠕變時(shí)間時(shí)結(jié)果偏大;更有甚者，對(duì) 于蠕變應(yīng)變較大的蠕變曲線，其曲線不符合Θ投影法的規(guī)律。因此需要針對(duì)此現(xiàn)象對(duì)Θ投影 法進(jìn)行修正，W求得到更高精度的蠕變壽命預(yù)測(cè)模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提出一種可準(zhǔn)確描述蠕變曲線的蠕變壽命預(yù)測(cè)方法，該方法通過(guò) 引入蠕變實(shí)驗(yàn)中由于蠕變樣品形狀變化導(dǎo)致的應(yīng)力變化運(yùn)一因素，對(duì)Θ投影法進(jìn)行修正，減 小預(yù)測(cè)的蠕變曲線與實(shí)驗(yàn)所得的蠕變曲線之間的差別，該方法簡(jiǎn)單可靠，適用于不同類型 的局溫合金。
[0008] 一種高溫合金的蠕變壽命預(yù)測(cè)方法，其核屯、要點(diǎn)在于：引入實(shí)際蠕變過(guò)程中，蠕變 真應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣黾樱瑥亩鴮?dǎo)致蠕變壽命降低運(yùn)一因素，即考慮蠕變過(guò)程中形狀變化 運(yùn)一損傷參量。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下： (1)獲取至少5條不同溫度和應(yīng)力條件下合金的高溫蠕變曲線，每條蠕變曲線包括溫 度、應(yīng)力、蠕變應(yīng)變和蠕變時(shí)間。
[0009] (2)將蠕變曲線第一階段至第Ξ階段初期的數(shù)據(jù)按公式 ￡=目1*(1-0邱（目2*(1 +目日*〇*1：)) +目3*(6邱（目4*(1 +目日*6)*1：)-1)進(jìn)行擬合，求出公式中的 參數(shù)目1、目2、目3、目4、目5,得到修正后的Θ投影法方程。
[0010] (3)利用(2)中結(jié)果可通過(guò)延長(zhǎng)Θ投影法曲線，獲得均勻變形階段的蠕變曲線。
[ocm] (4)將不同溫度和應(yīng)力條件下的蠕變曲線擬合得到的目1、02、目3、目4、目5按公式1〇邑目1= a+b*〇+c*T+d*〇*T (i=l, 2,3,4)和公式log目日=e+f*〇分別計(jì)算參數(shù)a、b、c、d、e、f。
[0012] (5)利用（2)和(4)所得結(jié)果可預(yù)測(cè)不同溫度和應(yīng)力下的蠕變曲線，從而獲得對(duì)應(yīng) 溫度和應(yīng)力下的蠕變斷裂時(shí)間或某一應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的蠕變中斷時(shí)間。
[001；3]所述公式￡；=目1*(1-6邱（目2*(1 +目日*6)*1：))+目3*(6邱（目4*(1 +目日*6)*1：)-1)中，6表示蠕 變應(yīng)變，t表示蠕變時(shí)間。
[0014] 所述公式log目i=a+b*〇+c*T+d*〇*T (i=l ,2,3,4)和公式1〇旨目日=6+巧〇中，1'表示蠕變 溫度，0表示蠕變工程應(yīng)力，a、b、C、d、e、f為與材料相關(guān)的常數(shù)。
[001引所述參數(shù)01、02、03、04、05是利用數(shù)學(xué)分析軟件，按最小二乘法回歸，將蠕變曲線時(shí) 間-應(yīng)變數(shù)值輸入，按公式ε=目i*(l-exp (目2*(1+目日*e)*t))+目3*(6邱（目4*(1+目日*6)*1：)-1)求得 待定系數(shù)目1、目2、目3、目4、白已。
[0016] 所述參數(shù)a、b、c、d、e、f是利用數(shù)學(xué)分析軟件，按最小二乘法回歸，將蠕變溫度、蠕 變應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的目1、目2、目3、目4、目日輸入，按公式log目i=a+b*〇+c*T+d*〇*T (i=l，2，3，4)和公式 log目日=e+f*〇求得待定系數(shù)a、b、c、d、e、f。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:能夠準(zhǔn)確地對(duì)不同類型的高溫合金蠕變曲線進(jìn)行描述，能夠 提高高溫合金蠕變斷裂時(shí)間和某一應(yīng)變量對(duì)應(yīng)的蠕變中斷時(shí)間的預(yù)測(cè)精度。該方法簡(jiǎn)單可 靠，利用常規(guī)蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)獲得蠕變數(shù)據(jù)。利用此方法可對(duì)高溫合金的服役時(shí)間進(jìn)行有效估 計(jì)，減小危害，降低成本，適用于不同類型的高溫合金。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為K465合金不同蠕變條件下的蠕變時(shí)間-應(yīng)變曲線。
[0019] 圖2為K465合金蠕變實(shí)驗(yàn)曲線與修正后的Θ投影法預(yù)測(cè)曲線對(duì)比圖。
[0020] 圖3為K465合金蠕變實(shí)驗(yàn)曲線與經(jīng)典Θ投影法預(yù)測(cè)曲線對(duì)比圖（a)900°C/300MPa， (b)900°C/320MPa, (c)950°C/300MPa, (d)975°C/200MPa, (e) 1000°C/137MPa〇
[0021] 圖4為修正后的Θ投影法預(yù)測(cè)不同條件下的K465合金蠕變曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022] W下實(shí)例將對(duì)本發(fā)明予W進(jìn)一步的說(shuō)明，W便本領(lǐng)域人員更好地理解本發(fā)明的優(yōu) 點(diǎn)和特征。
[0023] 首先，WK465合金為研究對(duì)象，利用高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)，獲得其在五個(gè)不同溫度和應(yīng) 力條件下的蠕變曲線，實(shí)驗(yàn)條件分別為1000°C/137MPa、975°C/200MPa、950°C/300MPa、900 °C/320MPa、900°C/300MPa，實(shí)驗(yàn)時(shí)每隔30min取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。
[0024] 其次，分別利用公式 e=0i*(l-e邱（目 2*(1+目5*e)*t))+目3*(exp (目4*(1+目5*e)*t)-l)及 經(jīng)典e投影法方程對(duì)蠕變曲線ε<1.3%的蠕變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得待定系數(shù)θι、θ2、θ3、θ4、θ5 (見(jiàn)表1)，得到修正后的e投影法方程。具體擬合方法為利用化iginlab軟件的非線性擬合 工具，將方程寫(xiě)入并選擇合適的初始值，選擇需要擬合的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。
[0025] 圖2為利用修正后的Θ投影法方程作出的完整蠕變曲線與實(shí)驗(yàn)所得蠕變曲線的對(duì) 比。圖3為經(jīng)典Θ投影法方程作出的完整蠕變曲線與實(shí)驗(yàn)所得蠕變曲線的對(duì)比。由圖2和圖3 可W看出，修正后的e投影法大大提高了預(yù)測(cè)精度。利用不同蠕變條件下的系數(shù)9?、92、θ3、 白4、目日及公式log目i=a+b*〇+c*T+d*〇*T (i=l ,2,3,4)和公式1〇邑目日=6+巧〇擬合得出待定系數(shù) a、b、c、d、e、f，見(jiàn)表2。具體擬合過(guò)程由化iginlab軟件的線性擬合工具實(shí)現(xiàn)。
[0026] 利用上述結(jié)果，通過(guò)計(jì)算不同溫度和應(yīng)力下的系數(shù)目1、目2、目3、目4、目5，可得到對(duì)應(yīng)的 修正后的Θ投影法方程，從而達(dá)到預(yù)測(cè)不同條件蠕變曲線的目的，見(jiàn)圖4。
[0027] 表1修正后的e投影法擬合K465合金不同蠕變條件下的系數(shù)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高溫合金的蠕變壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，具體包括如下步驟： 1) 獲取至少5條不同溫度和應(yīng)力條件下合金的高溫蠕變曲線，每條蠕變曲線包括溫度、 應(yīng)力、蠕變應(yīng)變和蠕變時(shí)間； 2) 將蠕變曲線第一階段至第三階段初期的數(shù)據(jù)按公式 ε=θ1*(1-〇χρ(θ2*(1+θ5*ε)*1：))+θ3*(θχρ(θ4*(1+θ 5*ε)*1：)-1)進(jìn)行擬合，求出公式中的待 定系數(shù)01、02、03、04、05，得到修正后的0投影法方程； 3) 利用2)中結(jié)果通過(guò)延長(zhǎng)Θ投影法曲線，獲得均勻變形階段的蠕變曲線； 4) 將不同溫度和應(yīng)力條件下的懦變曲線擬合得到的θι、θ2、θ3、θ4、θ 5按公式l〇g0i=a+b*〇 +c*T+d*〇*T，i=l ,2,3,4和公式log05=e+f*〇分別計(jì)算參數(shù)a、b、c、d、e、f; 5) 利用2)和4)所得結(jié)果預(yù)測(cè)不同溫度和應(yīng)力下的蠕變曲線，從而獲得對(duì)應(yīng)溫度和應(yīng)力 下的蠕變斷裂時(shí)間或蠕變中斷時(shí)間。2. 按照權(quán)利要求1所述的一種高溫合金蠕變壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于 6叉口（02*(1 + 95#)*1：)) + 03*(6叉口（04*(1 + 9糾）*1：)-1)中，￡表示懦變應(yīng)變，1：表示懦變時(shí)間。3. 按照權(quán)利要求1所述的一種高溫合金蠕變壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于:公式logepa- b*〇+c*T+d*〇*T (i=l，2，3，4)和公式log05=e+f*o中，T表示蠕變溫度，σ表示蠕變工程應(yīng)力， a、b、c、d、e、f為與材料相關(guān)的常數(shù)。4. 按照權(quán)利要求1所述的一種高溫合金蠕變壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于:按最小二乘法 回歸，將懦變曲線時(shí)間-應(yīng)變數(shù)值輸入，按公式e=9i*(l-exp(02*(l+9 5*e)*t))+03*(exp(04* (1+θδ*ε )*t )-1)求得待定系數(shù)θι、Θ2、Θ3、Θ4、Θ5。5. 按照權(quán)利要求1所述的一種高溫合金蠕變壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于:按最小二乘法 回歸，將蠕變溫度、蠕變應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的θ!、θ 2、θ3、θ4、θ5輸入，按公式logeiza+Wo+MT+cH^T (i=l ,2,3,4)和公式log05=e+f*〇求得待定系數(shù) a、b、c、d、e、f。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高溫合金的蠕變壽命預(yù)測(cè)方法，該方法是在θ投影法的基礎(chǔ)上，引入蠕變過(guò)程中材料形狀變化導(dǎo)致真應(yīng)力變化這一因素，得到修正θ投影法，具體形式為：ε=θ1*(1-exp(θ2*(1+θ5*ε)*t))+θ3*(exp(θ4*(1+θ5*ε)*t)-1)。該方法可用于利用蠕變曲線的第一階段至第三階段初期數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)整個(gè)均勻變形階段的蠕變曲線，有利于縮短獲得蠕變數(shù)據(jù)的時(shí)間。同時(shí)還可用于預(yù)測(cè)其他蠕變條件下的蠕變曲線，包括預(yù)測(cè)蠕變某一蠕變條件下的蠕變斷裂時(shí)間和某一蠕變應(yīng)變對(duì)應(yīng)的蠕變中斷時(shí)間。該方法簡(jiǎn)單可靠，適用于不同類型的高溫合金，適合工程應(yīng)用，在高溫合金蠕變壽命管理方面具有廣闊前景。
【IPC分類】G01N3/18
【公開(kāi)號(hào)】CN105628511
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510997412
【發(fā)明人】馮強(qiáng), 付超, 袁曉飛, 郭小童
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2015年12月25日