Влияние кристаллографической ориентации ГЦК-монокристаллов на уровень пластических деформаций при одноосном монотонном и циклическом термомеханическом воздействиях

Автор: Семенова А.А., Грищенко А.И., Семенов А.С.

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

Статья в выпуске: 5, 2023 года.

Бесплатный доступ

Жаропрочные монокристаллические сплавы, используемые при изготовлении рабочих и направляющих лопаток газотурбинных двигателей, обладают ярко выраженной анизотропией механических свойств, высокими показателями кратковременной, длительной и термоусталостной прочности. На основе микроструктурной модели упругопластического деформирования, учитывающей наличие октаэдрических и кубических систем скольжения, выполнено исследование влияния кристаллографической ориентации монокристаллических образцов на уровень пластической деформации при одноосном растяжении и на размах пластической деформации при интенсивном термоциклическом воздействии. Анизотропия пластических свойств монокристаллов проявляется в зависимости от уровня пластических деформаций от направления нагружения. В работе произведена оценка вклада октаэдрических и кубических систем скольжения при одноосном нагружении в различных направлениях по отношению к кристаллической решетке. Исследована эволюция ориентационных зависимостей пластической деформации при монотонном увеличении нагрузки, проанализированы процессы возникновения и конкурирующего роста локальных максимумов. Найдены угловые координаты всех возможных в пределах стереографического треугольника 7 локальных максимумов и указаны диапазоны нагрузки их доминирования. Представлены результаты исследования влияния температуры и упрочнения на характер ориентационного распределения пластической деформации. Исследовано влияние кристаллографической ориентации на уровень пластических деформаций при симметричном и несимметричном циклическом нагружении. Представлены результаты моделирования поцикловой кинетики пластических деформаций и их ориентационного распределения от цикла к циклу. Результаты вычислительных экспериментов для корсетных образцов для термоусталостных испытаний показали значительную чувствительность размаха пластической деформации к отклонению от аксиальной ориентации [001] даже на несколько градусов, что указывает на необходимость пересмотра принятого на практике допуска в 10 градусов.

Еще

Пластичность монокристаллов, кристаллографическая ориентация, микроструктурные модели, октаэдрические системы скольжения, кубические системы скольжения, циклическое нагружение

Короткий адрес: https://sciup.org/146282775

IDR: 146282775 | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.5.08

Список литературы Влияние кристаллографической ориентации ГЦК-монокристаллов на уровень пластических деформаций при одноосном монотонном и циклическом термомеханическом воздействиях

Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / Р.Е. Шалин, И.Л. Светлов, Е.Б. Качанов, В.Н. Толораия, О.С. Гаврилин. - М: Машиностроение, 1997. - 333 с.
Grant N.J. Stress Rupture Test; Structural Variations in Gas Turbine Alloys // Transactions of the ASM. - 1947. -Vol. 39. - Р. 335-367.
Каблов Е.Н. Специальность - металл для авиации. К 100-летию со дня рождения академика С.Т. Кишкина // Вестник Российской академии наук. - 2006. - № 6 (76). - С. 553-558.
Герасимов В. В. От монокристаллических неохлаждае-мых лопаток к лопаткам турбин с проникающим (транспира-ционным) охлаждением, изготовленным по аддитивным технологиям // Труды ВИАМ. - 2016. - № 10 (46). - С. 3-28.
Иноземцев А.А. Двигатель ПД-14 - будущее российского авиапрома // Инновации. Открытое акционерное общество «Трансфер-Инновации». - 2013. - T. 12, № 182. - C. 77-80.
Иноземцев А. А. О программе создания авиационных газотурбинных двигателей пятого поколения для семейства самолетов МС-21 // Вестник Пермского федерального исследовательского центра. - 2010. - № 4. - С. 28-46.
Каблов Е.Н., Толорайя В.Н., Орехов Н.Г. Монокристаллические никелевые рений содержащие сплавы для турбинных лопаток ГТД // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2002. - № 7. - С. 7-11.
Nickel base single crystals across length scales / L. Naze, V. Maurel, G. Eggeler, J. Cormier, G. Cailletaud. - Elsevier, 2021. - 610 p. DOI: 10.1016/C2018-0-01723-5
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.- С. 153-177.
Температурно-ориентационная зависимость характеристик кратковременной прочности, модуля Юнга и коэффициента линейного расширения монокристаллов сплава ЖС6Ф / И.Л. Светлов [и др.] // Проблемы прочности. - 1987. -№ 1. - С. 51-56.
Упругие свойства монокристаллов никелевых сплавов / А.И. Кривко, А.И. Епишин, И.Л. Светлов, А.И. Самойлов // Проблемы прочности. - 1988. - № 2. - С. 68-75.
Светлов И. Л., Епишин А. И., Кривко А. И. Анизотропия коэффициента Пуассона монокристаллов никелевого сплава // Доклады АН СССР. - 1988. - № 2. - С. 1372-1375.
Abdul-Aziz A., Kalluri S., McGaw M.A. The influence of primary and secondary orientations on the elastic response of a nickel-base single-crystal superalloy // Proc. of ASME 1993 Int. Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition. Vol. 3C: General. Cincinnati, USA, - 1993. V03CT17A037. DOI: 10.1115/93-GT-376
Li S., Smith D.J., Ellison, E.G. Influence of orientation on the elastic and low cycle fatigue properties of several single crystal nickel base superalloys // Journal of Strain Analysis for Engineering Design, - 1994. - Vol. 29, no. 2. - P. 147-153.
Shah D.M., Duhl D.N. The effect of orientation, temperature and gamma prime size on the yield strength of a single crystal nickel base superalloy // Superalloys. The Metallurgical Society of AIME, - 1984. - P. 105-114. DOI: 0.7449/1984/SUPERALL0YS_1984_105_114
Голубовский Е.Р., Епишин А.И., Светлов И.Л. Анизотропия характеристик статической и циклической прочности монокристаллов жаропрочного сплава // Вестник двигате-лестроения. - 2004. - № 2. - С. 143-146.
Голубовский Е.Р., Светлов И.Л., Хвацкий К.К. Закономерности изменения аксиальной и азимутальной анизотропии прочностных характеристик монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов для лопаток ГТД // Авиационно-космическая техника и технология. - 2005. - № 10. - С. 50-54.
Голубовский E.H., Cветлов И.Л., Хвацкий К.К. Влияние аксиальной и азимутальной кристаллографической ориентации на прочностные характеристики жаропрочных никелевых сплавов для монокристаллических лопаток ГТД // Конверсия в машиностроении. - 2005. - № 4-5. - С. 113-115.
Гецов Л.Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. - Рыбинск: Изд. дом «Газотурбинные технологии», 2010. - 605 с.
Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения / Е.Н. Каблов, Н.В. Петрушин, И.Л. Светлов, И.М. Демонис // Авиационные материалы и технологии. - 2012. - № S. - С. 36-52.
The effects of orientation and thickness on the notch-tensile creep strength of single crystals of a nickel-base superalloy / K. Sugimoto, T. Sakaki, T. Horie, K. Kuramoto, O. Miyagawa // Metallurgical Transactions. - 1985. - Vol. A16, no. 8. - Р. 14571466. DOI: 10.1007/BF02658678
К вопросу о влиянии кристаллографической ориентации на длительную прочность и ползучесть никелевого сплава / Е.Р. Голубовский [и др.] // Проблемы прочности. -1987. - № 9. - С. 11-17.
Голубовский Е.Р., Светлов И.Л. Температурно-вре-менная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных плавов // Проблемы прочности. - 2002. - № 2. - С. 5-19.
Особенности ползучести и длительной прочности жаропрочных монокристаллических сплавов на никелевой основе / С.Г. Семенов [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2015. - № 12 (726). - С. 29-37.
Arakere N.K., Swanson G. Effect of crystal orientation on fatigue failure of single crystal nickel base turbine blade superalloys // J. Eng. Gas Turbines Power. - 2002; - Vol. 124(1). - P. 161-176. DOI: 10.1115/1.1413767
Effects of crystallographic orientations and dwell types on low cycle fatigue and life modeling of a SC superalloy / D. Shi, J. Huang, Х. Yang, H. Yu // International Journal of Fatigue. - 2013. - Vol. 49. - P. 31-39.
Luo C., Yuan H. Life assessment of anisotropic low cycle fatigue of nickel-base single crystal superalloy // International Journal of Fatigue. - 2023. - Vol. 167. - P. 107310.
Orientation-dependent low cycle fatigue performance of nickel-base single crystal superalloy at intermediate temperature range / Li [et al.] // Materials Today Communications. - 2021. -Vol. 26. - P. 101836.
Дульнев Р.А., Светлов И.Л. Ориентационная зависимость термической усталости монокристаллов никелевого сплава // Проблемы прочности. - 1988. - № 11. - С. 3-9.
Сопротивление термической усталости монокристаллического сплава / Л.Б. Гецов [и др.] // Проблемы прочности. - 2008. - № 5. - С. 54-71.
Гецов Л.Б., Семенов А.С., Рыбников А.И. Сопротивление термической усталости жаропрочных сплавов // Теплоэнергетика. - 2009. - № 5. - С. 51-58.
Расчетное определение ресурса рабочих и направляющих лопаток ГТУ. Ч. 2. Монокристаллические материалы / Л.Б. Гецов [и др.] // Газотурбинные технологии. - 2011. - № 8. - С. 18-25.
Семенов А.С., Гецов Л.Б. Критерии термоусталостного разрушения монокристаллических жаропрочных сплавов и методы определения их параметров // Проблемы прочности. -2014. - № 1. - С. 50-62.
Сопротивление деформированию и разрушению монокристаллических жаропрочных сплавов при статическом и циклическом нагружении / А.С. Семенов [и др.] // Вестн. Са-мар. гос. аэрокос. ун-та им. С.П. Королёва. - 2014. -№ 5-3 (47). - С. 66-75.
Thermocyclic- and static-failure criteria for single-crystal superalloys of gas-turbine blades / L.B. Getsov, A.S. Se-menov, E.A. Tikhomirova, A.I. Rybnikov // Materials and Technology. - 2014. - Vol. 48. - P. 255-260.
Smith R., Lancaster R., Jones J., Mason-Flucke J. Lifing the effects of crystallographic orientation on the thermo-mechanical fatigue behaviour of a single-crystal superalloy // Materials. - 2019; - Vol. 12(6). - P. 998.
Savikovskii1 A.V., Semenov A.S., Getsov L.B. Crys-tallographic orientation, delay time and mechanical constants influence on thermal fatigue strength of single-crystal nickel superalloys // Materials Physics and Mechanics. - 2020. -Vol. 44. - P. 125-136.
Тихомирова Е.А., Живушкин А.А., Сидохин Е.Ф. Об исследованиях влияния кристаллографической ориентировки на эксплуатационные свойства монокристальных турбинных лопаток // Вестник СГАУ. - 2011. - № 3 - C. 50-53.
Luo C., Yuan H. Anisotropic thermomechanical fatigue of a nickel-base single-crystal superalloy Part I: Effects of crystal orientations and damage mechanisms // International Journal of Fatigue. - 2023. - Vol. 168. - P. 107438.
Milligan WW, Antolovich SD. Yielding and deformation behavior of the single crystal superalloy PWA 1480 // Metallurgical Transactions. - 1987. - Vol. 18(1). - P. 85-95.
Segersall M., Moverare J.J. Crystallographic orientation influence on the serrated yielding behavior of a single-crystal super-alloy // Materials. - 2013. - Vol. 6, no. 2. - P. 437-444.
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.
Vasilyev B., Selivanov A. Numerical method of single-crystal turbine blade static strength estimation taking into account plasticity and creep effects // Materials Physics and Mechanics. -2019. - Vol. 42. - P. 311-322.
Магеррамова Л.А., Васильев Б.Е. Влияние азимутальной ориентации в монокристаллических лопатках высокотемпературных газовых турбин на их напряженно-деформированное состояние и прочность // Вестник УГАТУ, -2011. -Т. 15, № 4 (44). - C. 54-58.
Primary creep in nickel-base superalloys / D.M. Shah, S. Vega, S. Woodard, A.D. Cetel // Superalloys. - 2004. - P. 197-206.
Creep and stress relaxation anisotropy of a single-crystal superalloy / M. Segersall, J.J. Moverare, D. Leidermark, K. Si-monsson // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2014. -Vol. 45A. - P. 2532-2544.
Методика определения длительной прочности охлаждаемых лопаток из монокристаллических жаропрочных сплавов / Л.Б. Гецов [и др.] // Теплоэнергетика. - 2017. -№. 4. - P. 48-56.
Modeling of the effect of secondary orientation on the micro deformation behavior of Ni-based single crystal superalloys / W. Wie, J. Song, J. Zhang, S. Nie, L. Li, C. Xiao, F. Liu // Metals. -2022. - Vol. 12. - P. 217.
Лычагин Д.В., Шаехов Р.В., Алферова Е.А. Влияние кристаллогеометрической установки на неоднородность сдвиговой деформации ГЦК-монокристаллов при сжатии // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. -2008. - Т. 5, № 2. - С. 101-108.
Неоднородность и локализация деформации в монокристаллах никеля с осью сжатия [001] / Д.В. Лычагин, Е.А. Алферова, Т.Н. Голосова, А.Д. Лычагин // Обработка металлов. - 2009. - № 3(44). - Изд. НГТУ. - С. 37-38.
Telesman J., Ghosn L.J. The unusual near-threshold FCG behavior of a single crystal superalloy and the resolved shear stress as the crack driving force // Engineering Fracture Mechanics. - 1989. - Vol. 34, № 5-6. - P. 1183-1196.
Aswath B. Effect of orientation on crystallographic cracking in notched nickel-base superalloy single crystal subjected to far-field cyclic compression // Metall Mater Trans A. - 1994. -Vol. 25. - P. 287-297.
Розанов М.А. Влияние кристаллографической ориентации и фактора Шмида на механизм роста трещины малоцикловой усталости в образце из монокристаллического никелевого жаропрочного сплава в процессе испытания // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2015. - Т. 14, № 3-1. -C. 106-113.
Effect of crystallographic orientation on the corrosion resistance of Ni-based single crystal superalloys / Y. Yanqiu [et al.] // Corrosion Science. - 2020. - Vol. 170. - P. 108643.
Zhang L.N., Ojo O.A. Crystallographic orientation dependence of corrosion behavior of a single crystal nickel-based alloy // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2018. -Vol. 49. - P. 295-304
Verchere L., Aubert I., Devos O. Influence of the crys-tallographic orientation on the electrochemical reactivity measured by scanning electrochemical microscopy on nickel-based alloy 600 // Electrochimica Acta. - 2019. - Vol. 313. -P. 292-302.
Проблемы вибрационного состояния фундаментов, сейсмостойкости и прочности турбомашин. Ч. 2 / Ю.С. Воробьев, Л.Б. Гецов, Б.Е. Мельников, А.С. Семенов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2013. - № 4-1(183). -C. 302-319.
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.
Asaro R.J. Crystal plasticity // Journal of APlied Mechanics. - 1983. - Vol. 50, no. 4b. - P. 921-934.
Cailletaud G. A micromechanical aProach to inelastic behavior of metals // International Journal of Plasticity. - 1992. -Vol. 8, no. 1. - P. 55-73.
Многоуровневые модели неупругого деформирования материалов и их применение для описания эволюции внутренней структуры / П.В. Трусов [и др.] // Физическая ме-зомеханика. - 2012. - Vol. 15, № 1. - C. 33-56.
Трусов П.В., Швейкин А.И. Многоуровневые модели моно- и поликристаллических материалов: теория, алгоритмы, примеры применения. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 2019. - 605 с.
Грищенко А.И., Семенов А.С. Моделирование процессов упругопластического деформирования монокристаллических сплавов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2022. - T. 2. - P. 58-71.
Нелинейная механика материалов / Ж. Бессон, Ж. Каето, Ж.Л. Шабош, С. Форест; пер. с франц. А.С. Кравчука. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. - 397 с.
Anand L., Kothari M. A computational procedure for rate-independent crystal plasticity // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 1996. - Vol. 44, no. 4. - P. 525-558.
Грищенко А.И., Семенов А.С. Моделирование процессов ползучести монокристаллических сплавов с учетом рафтинга // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2022. - № 4. - С. 116-134
Xiao H., Bruhns O.T., Meyers A. Hypo-elasticity model based upon the logarithmic stress rate //Journal of Elasticity. -1997. - Vol. 47. - P. 51-68.
Трусов П.В., Кондратьев Н.С., Швейкин А.И. О геометрически нелинейных определяющих соотношениях упругого материала // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2015. - № 3. -С. 182-200. DOI: 10.15593/perm.mech/2015.3.13
Конечно-элементный анализ термоциклической прочности лопаток газовых турбин Ч. 1. Модели материала, критерии разрушения, идентификация параметров / А. С. Семенов, А. И. Грищенко, М. Е. Колотников, Л. Б. Гецов // Вестник УГАТУ. - 2019. - Т. 23, № 1 (83). - С. 70-81.
Kocks U.F., Brown T.J. Latent hardening in aluminum // Acta Metallurgica. - 1966. - Vol. 14, no. 2. - P. 87-98.
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. 4.
Коффин Л.Ф. О термической усталости сталей // Жаропрочные сплавы при изменяющихся температурах и напряжениях: сб. ст. / под ред. Л.Б. Гецова и М.Г. Таубиной. -М.;Л.: Госэнергоиздат, 1960. - С. 188-258.
Дульнев Р.А., Котов П.И. Термическая усталость металлов. - М.: Машиностроение, 1980. - 200 с.
Гецов Л.Б., Семенов А.С. О запасах прочности деталей газотурбинных двигателей при термоциклическом нагружении // Авиационные двигатели. - 2023. - № (18). - С. 79-98.
Семенов А.С. PANTOCRATOR - конечно-элементный программный комплекс, ориентированный на решение нелинейных задач механики // Труды V Межд. конф. «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения». - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. - С. 466-480.

Еще

Статья научная