Моделирование процессов упругопластического деформирования монокристаллических сплавов

Автор: Грищенко А.И., Семенов А.С.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 2, 2022 года.

Бесплатный доступ

Разработана и верифицирована микромеханически мотивированная модель упругопластического деформирования двухфазных монокристаллических сплавов на никелевой основе, предсказывающая их поведение при высокотемпературных механических воздействиях с учетом наличия γ- и γ'-фаз. Использование модели актуально при выполнении уточненных расчетов напряженно-деформированного состояния охлаждаемых монокристаллических лопаток газотурбинных установок. Формулировка определяющих уравнений для каждой из фаз учитывала анизотропию упругих и пластических свойств, наличие октаэдрических систем скольжения, особенности кубической сингонии, различные механизмы упрочнения, включающие кинематическое, изотропное и латентное. Идентификация упругих и пластических констант материала для γ- и γ'-фаз производилась на основе известных диаграмм деформирования для каждой фазы. Определение эффективных свойств и диаграмм деформирования монокристаллического сплава с учетом наличия γ- и γ'-фаз производилось как на основе конечно-элементной гомогенизации для элементарного представительного объема, так и с использованием простейших реологических (структурных) моделей материала, рассматривающих последовательное и параллельное соединение фаз. Путем многовариантных вычислительных экспериментов и аналитических оценок определены зависимости упругопластических свойств двухфазных монокристаллических сплавов на никелевой основе от объемной доли γ'-фазы. В целях определения оптимальной стратегии решения рассматриваемого класса задач проведены многовариантные вычислительные эксперименты для различных видов граничных условий задачи гомогенизации, числа ячеек периодичности, форм включения γ'-фазы, объемных долей γ'-фазы, видов упрочнения, вариантов реологических моделей и даны соответствующие рекомендации. Результаты моделирования с использованием предложенной двухуровневой микроструктурной модели материала демонстрируют хорошее соответствие с экспериментальными данными для монокристаллического жаропрочного сплава CMSX-4.

Еще

Монокристалл, системы скольжения, γ- и γ'-фазы, пластичность, микроструктурные модели, конечно-элементная гомогенизация, реологические модели

Короткий адрес: https://sciup.org/146282476

IDR: 146282476 | DOI: 10.15593/perm.mech/2022.2.06

Список литературы Моделирование процессов упругопластического деформирования монокристаллических сплавов

Nickel base single crystals across length scales / L. Naze, V. Maurel, G. Eggeler, J. Cormier, G. Cailletaud. - Elsevier, 2021. - 610 p.
Pollock T.M., Tin S. Nickel-based superalloys for advanced turbine engines: chemistry, microstructure and properties // Journal of propulsion and power. - 2006. - Vol. 22, no. 2. -P. 361-374. DOI: https://doi.org/10.2514/n8239
Каблов Е.Н., Толорайя В.Н., Орехов Н.Г. Монокристаллические никелевые ренийсодержащие сплавы для турбинных лопаток ГТД // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2002. - № 7. - С. 7-11.
Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / Р.Е. Шалин, И.Л. Светлов, Е.Б. Качанов, В.Н. Толораия, О.С. Гаврилин. - М.: Машиностроение, 1997. - 333 с.
Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Елютин Е.С. Монокристаллические жаропрочные сплавы для газотурбинных двигателей // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2011. - № 2. -С.38-52.
Семенов А.С., Беляев М.О., Грищенко А.И. Моделирование процесса возникновения овальности поперечного сечения образцов из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов при растяжении // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2015. - №. 2. - Р. 153-177. DOI: https: //doi.Org/10.15593/perm.mech/2017.2.09
Расчетное определение ресурса рабочих и направляющих лопаток ГТУ. Часть 2. Монокристаллические материалы / Л.Б. Гецов [и др.] // Газотурбинные технологии. - 2011. -№ 8. - С. 18-25.
Методика определения длительной прочности охлаждаемых лопаток из монокристаллических жаропрочных сплавов / Л.Б. Гецов [и др.] // Теплоэнергетика. - 2017. - №. 4. -P. 48-56. DOI: https://doi.org/10.1134/S004036361704004X
Конечно-элементный анализ термоциклической прочности лопаток газовых турбин часть 2. Результаты расчетов / А.С. Семенов [и др.] // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. - 2019. - Т. 23, № 2.
Meric L., Poubanne P., Cailletaud G. Single crystal modelling for structural calculations: Part I - Model presentation // Journal of Mechanical Design. - 1991. - Vol. 113. - P. 162-170.
Конечно-элементный анализ термоциклической прочности лопаток газовых турбин часть 1. Модели материала, критерии разрушения, идентификация параметров / А.С. Семенов [и др.] // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. - 2019. - Т. 23, №. 1.
Сопротивление деформированию и разрушению монокристаллических жаропрочных сплавов при статическом и циклическом нагружении / А.С. Семёнов [и др.] // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика СП Королёва (национального исследовательского университета). - 2014. - №. 5-3 (47). - С. 70-79.
Семенов А.С. Идентификация параметров анизотропии феноменологического критерия пластичности монокристаллов на основе микромеханической модели // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. - 2014. - Т. 194, № 2. - С. 15-29.
ТрусовП.В., ШвейкинА.И. Многоуровневые модели моно- и поликристаллических материалов: теория, алгоритмы, примеры применения. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 2019.- 605 с.
Многоуровневые модели неупругого деформирования материалов и их применение для описания эволюции внутренней структуры / П.В. Трусов [и др.] // Физическая мезомеханика. - 2012. - Vol. 15, №. 1. - C. 33-56. DOI: https: //doi.org/10.24411/1683-805X-2012-00007
Micromorphic approach to crystal plasticity and phase transformation / S. Forest [et al.] // Plasticity and beyond. -Springer, Vienna, 2014. - P. 131-198.
Asaro R.J., Rice J.R. Strain localization in ductile single crystals // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. -1977. - Vol. 25, no. 5. - P. 309-338. DOI: https://doi.org/10.1016/ 0022-5096(77)90001-1
Asaro R.J. Crystal plasticity // J. Appl. Mech. - 1983. -Vol. 50. - P. 921-934.
Peirce D., Asaro R.J., Needleman A. Material rate dependence and localized deformation in crystalline solids // Acta metallurgica. - 1983. - Vol. 31, no. 12. - P. 1951-1976. DOI: https://doi.org/10.1016/0001-6160(83)90014-7
Cailletaud G. A micromechanical approach to inelastic behavior of metals // International Journal of Plasticity. - 1992. -Vol. 8, no. 1. - P. 55-73. DOI: https://doi.org/10.1016/0749-6419(92) 90038-E
Non-linear mechanics of materials / J. Besson [et al.]. -Springer Science & Business Media, 2009.
On the design of single crystal turbine blades / G. Caille-taud [et al.] // Metallurgical Research & Technology. - 2003. -Vol. 100, no. 2. - P. 165-172. DOI: https://doi.org/10.1051/metal: 2003137
Busso E.P., Meissonnier F.T., O'dowd N.P. Gradient-dependent deformation of two-phase single crystals // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 2000. - Vol. 48. - P. 2333-2361. DOI: https://doi.org/10.1016/s0022-5096(00)00006-5
Mandel J. Généralisation de la théorie de plasticité de WT Koiter // International Journal of Solids and structures. -1965. - Vol. 1, no. 3. - P. 273-295.
Modeling and experiments on the indentation deformation and recrystallization of a single-crystal nickel-base superalloy / C. Zambaldi, F. Roters, D. Raabe, & U. Glatzel // Materials Science and Engineering A-structural Materials Properties Microstructure and Processing. - Vol. 454 (4). - P. 33-440.
Hill R. Generalized constitutive relations for incremental deformation of metal crystals by multislip // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 1966. - Vol. 14, no. 2. -P. 95-102. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-5096(66)90040-8
Hill R., Rice J.R. Constitutive analysis of elastic-plastic crystals at arbitrary strain // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 1972. - Vol. 20, no. 6. - P. 401-41. DOI: https: //doi.org/10.1016/0022-5096(72)90017-8
Grishchenko A.I., Semenov A.S., Getsov L.B. Modeling inelastic deformation of single crystal superalloys with account of y/y'phases evolution // Materials Physics and Mechanics. - 2015. -Vol. 24, no. 3. - P. 325-330.
Cormier J., Cailletaud G. Constitutive modeling of the creep behavior of single crystal superalloys under non-isothermal conditions inducing phase transformations // Materials Science and Engineering: A. - 2010. - Vol. 527, no. 23. - P. 6300-6312. DOI: https://doi.org/10.1016/J.MSEA.2010.06.023
Guo Z., Huang D., Yan X. Physics-based modeling of y/y' microstructure evolution and creep constitutive relation for single crystal superalloy // International Journal of Plasticity. - 2021. - Vol. 137. -P. 102916. DOI: https://doi.org/10.1016/j .ijplas.2020.102916
The role of (112) {111} slip in the initial plastic deformation of Ni-base superalloys at room temperature / C.X. Dang [et al.] // Materials Characterization. - 2020. - Vol. 170. -P. 110648. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2020.110648
Mechanical twinning in Ni-based single crystal superalloys during multiaxial creep at 1050 oC / J.B. Le Graverend [et al.] // Materials Science and Engineering: A. - 2018. - Vol. 722. -P. 76-87. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.02.086
On the microtwinning mechanism in a single crystal superalloy / D. Barba [et al.] // Acta Materialia. - 2017. - Vol. 135. -P. 314-329. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.05.072
Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. -М.: Мир, 1972. - 408 с.
Gupta S., Bronkhorst C.A. Crystal plasticity model for single crystal Ni-based superalloys: Capturing orientation and temperature dependence of flow stress // International Journal of Plasticity. - 2021. - Vol. 137. - P. 102896. DOI: https: //doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102896
Kocks U.F., Brown T.J. Latent hardening in aluminum // Acta Metallurgica. - 1966. - Vol. 14, no. 2. - P. 87-98. DOI: https://doi.org/10.1016/0001-6160(66)90290-2
Tinga T., Brekelmans W.A.M., Geers M.G.D. Incorporating strain gradient effects in a multiscale constitutive framework for nickel-base superalloys // Philosophical Magazine. - 2008. - Vol. 88. - P. 30-32. - P. 3793-3825. DOI: https://doi.org/10.1080/14786430802337089
Ghosh S., Keshavarz S., Weber G. Computational Multi-scale Modeling of Nickel-Based Superalloys Containing Gamma-Gamma' Precipitates // Altenbach, H., Brunig, M. (eds) Inelastic Behavior of Materials and Structures Under Monotonic and Cyclic Loading. Advanced Structured Materials. - 2015. - Vol 57. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-14660-7_5
Nouailhas D., Cailletaud G. Finite element analysis of the mechanical behavior of two-phase single-crystal superalloys // Scripta Materialia. - 1996. - Vol. 34. - P. 565-571. DOI: https:// doi.org/10.1016/1359-6462(95)00547-1
Estevez R., Hoinard G., Franciosi P. Hardening anisot-ropy of y/y' superalloy single crystals-II. Numerical analysis of heterogeneity effects // Acta materialia. - 1997. - Vol. 45, no. 4. -P. 1567-1584. DOI: https://doi.org/10.1016/S1359-6454(96)00265-0
Семенов А.С. PANTOCRATOR - конечно-элементный программный комплекс, ориентированный на решение нелинейных задач механики // Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности констр. и методы их решения: труды V Межд. конф. - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. - С. 466-480.
Microstructure and mechanical properties of CMSX-4 single crystals prepared by additive manufacturing / C. Körner [et al.] // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2018. - Vol. 49, no. 9. -P. 3781-3792. DOI: https://doi.org/10.1007/s11661-018-4762-5
Serin K., Göbenli G., Eggeler G. On the influence of stress state, stress level and temperature on y-channel widening in the single crystal superalloy CMSX-4 // Materials Science and Engineering: A. - 2004. - Vol. 387. - P. 133-137. DOI: https: //doi.org/10.1016/j.msea.2004.01.114
Рейнер М Реология: пер. с англ. - М.: Наука, 1965. - 224 с.
Пальмов В.А. Нелинейная механика деформируемых тел. - СПб.: Изд-в СПбГПУ, 2014. - 792 с.
Гохфельд Д.А., Садаков О.С. Пластичность и ползучесть элементов конструкций при повторных нагружениях. -М.: Машиностроение, 1984. - 256 c.
Reuß A. Berechnung der fließgrenze von mischkristallen auf grund der plastizitätsbedingung für einkristalle // ZAMMJournal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik. - 1929. - Vol. 9, no. 1. - P. 49-58. DOI: https://doi.org/10.1002/zamm. 19290090104
Voigt W. Ueber die Beziehung zwischen den beiden Elasticitätsconstanten isotroper Körper // Annalen der physik. -1889. - Vol. 274, no. 12. - P. 573-587. DOI: https://doi.org/ 10.1051/JPHYSTAP: 018900090020100
Estrada Rodas E.A., Gorgannejad S., Neu R.W. Creep-fatigue behaviour of single-crystal Ni-base superalloy CMSX-8 // Fatigue & Fracture of Engineering Materials &Structures. - 2019. -Vol. 42, no. 9. - P. 2155-2171. DOI: https://doi.org/10.1002/ 9781119075646.ch71Citations
Schröder J. A numerical two-scale homogenization scheme: the FE 2-method // Plasticity and beyond. - Springer, Vienna, 2014. - P. 1-64.
Veron M., Brechet Y., Louchet F. Directional coarsening of Ni-based superalloys: Computer simulation at the mesoscopic level // Acta Materialia. - 1996. - Vol. 44, №. 9. - P. 3633-3641. DOI: https://doi.org/10.1016/S1359-6462(97)00165-6
Svoboda J., Lukas P. Modelling of kinetics of directional coarsening in Ni-superalloys // Acta materialia. - 1996. - Vol. 44, no. 6. - P. 2557-2565. DOI: https://doi.org/10.1016/1359-6454(95) 00349-5
Louchet F., Hazotte A. A model for low stress cross-diffusional creep and directional coarsening of superalloys // Scripta materialia. - 1997. - Vol. 37, no. 5. - P. 589-597. DOI: https://doi.org/10.1016/S1359-6462(97)00165-6

Еще

Статья научная