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.
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.
Пластичность монокристаллов, кристаллографическая ориентация, микроструктурные модели, октаэдрические системы скольжения, кубические системы скольжения, циклическое нагружение
Короткий адрес: https://sciup.org/146282775
IDR: 146282775 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.5.08
Influence of the crystallographic orientation of FCC single crystals on plastic strain under uniaxial monotonic and cyclic thermomechanical loading
Single-crystal superalloys, used in production of gas turbine blades, have a pronounced anisotropy of mechanical properties and high short-term, long-term and thermal fatigue strength. Based on a microstructural model of elastoplastic deformation, which takes into account the presence of octahedral and cubic slip systems, a study was carried out of the influence of the crystallographic orientation of single-crystal samples on the level of plastic strain under uniaxial tension and on the range of plastic strain under intense thermal cycling. Anisotropy of the plastic properties of single crystals manifests itself in the dependence of the level of plastic strain on the direction of loading. The contribution of octahedral and cubic slip systems under uniaxial loading in different directions with respect to the crystal lattice has been evaluated. The evolution of the spatial orientation of plastic strain with a monotonic increasing of loading has been studied; the initiation and competing growth of local maxima have been analyzed. The angular coordinates of all possible 7 local maxima within the stereographic triangle are found and the load ranges of their dominance are indicated. The results of studying the influence of temperature and hardening on the orientation distribution of plastic strain are presented. The influence of the sample crystallographic orientation on the plastic strain level under symmetric and nonsymmetric cyclic loading has been studied. The results of modeling the cycle-by-cycle kinetics of plastic strains and their orientation distribution are presented. The results of the computational experiments for corset samples for thermal fatigue tests showed a significant sensitivity of the plastic strain range to the deviation of the sample axis from the [001] orientation even by a few degrees, which indicates the need to revise the accepted tolerance of 10 degrees.
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.
