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发动机涡轮叶片蠕变分析常用准则

8月前浏览2815

      与塑性变形一样,蠕变是一个复杂的过程,受到材料微观结构的强烈影响。然而,与塑性一样,可以确定关于可能影响(抑制)蠕变的特征的指南,其中一些与两者相似。例如,细小的沉淀物阵列将抑制位错滑移,从而提高屈服应力,也可能抑制(位错)蠕变。然而,这种联系是有限度的。例如,沉淀物可能在蠕变所涉及的高温下溶解。更根本的是,某些特征对蠕变和塑性的影响截然不同。例如,虽然细晶粒尺寸倾向于提高屈服应力,这是晶界阻碍位错滑移的结果,但它可能在扩散主导的区域中导致加速蠕变,因为这种边界也构成了快速扩散路径。

     然而,与塑性一样,经验本构定律可用于建模和预测蠕变行为。有时,根据所涉及的主要机制来解释这些定律中参数的值是有余地的。特别地,如果蠕变速率是在一个温度范围内测量的,那么可以评估活化能Q,这反过来可以提供关于速率决定的扩散过程类型的信息。人们还经常声称,通过在一定应力范围内的蠕变速率测量获得的应力指数n的值表示主要机制,低值表示纯扩散蠕变,高值表示位错蠕变。这些结论的理论基础有时可能会受到质疑,在任何情况下,这些定律都必须被视为基本上是经验的,但能够表征材料的蠕变响应,并明确特定定律有效的温度和应力状态,这一点当然很重要

    常用的蠕变经验公式如下所示:

稳态状态蠕变公式:

    通常,蠕变应变率的拟合比较容易在稳定态(第二段)进行,一般以VonMises塑性应变表示:

11.jpg

    其中A是常数,σ是施加的VonMises应力,Q是活化能,n是应力指数。

    这是一个相对简单的等式,但应该添加几个注意事项,它只与稳态(次级)状态有关。有资料表示,整个蠕变寿命通常由这种制度主导。在实践中,这可能是真的,也可能不是真的。特别值得注意的是,初级状态不仅可以在蠕变寿命的很大一部分上延伸,而且由于在初级蠕变期间蠕变速率通常高得多,因此其对整体蠕变应变的贡献可能很大,甚至占主导地位。根据许多因素,简单地忽略初级蠕变可能是非常不合适的。

考虑蠕变第一状态和稳态阶段的公式:

第一阶段对蠕变过程的重要性,科研人员一直非常感兴趣,并提出了几种表达方式,同时表达第一阶段和稳态的变形过程。以下方程可以作为代表,有时被称为Miller-Norton定律:

11.jpg

其中,C为常数(单位Pa−n s−(m+1)),t为时间,n为应力指数,m为无量纲常数。该公式拟合的曲线可如下图所示:

11.jpg

    但是,具体试验过程,我们很难获得试验施加的真实应力,往往以名义应力代替,结构的变形如颈缩,会导致两个应力差别越来越大。因此,为了过滤掉应力选取的影响,上述公式可以用微分形式表达:

11.jpg

       在具体的实施过程中,我们无法得到大数据量的试验结果,因此拟合上述公式往往比较难,在具体实施时,往往会采用一些简化,比如在计算航空发动机叶片的蠕变寿命时,以下三个公式更为简单,该三项公式主要考虑稳态阶段:

       简化的Norton公式:

11.PNG

Norton-Bailey公式:

image.png

Dorn-Bailey公式:

image.png

    上述三个公式在SNECMA的涡轮叶片设计时进行过多次验证。

材料核能电力兵器航天航空
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首次发布时间:2023-08-25
最近编辑:8月前
MintFreeMove
硕士 Let's mesh
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