權(quán)力要求

1.高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法，其特征在于，所述高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法基于不同預(yù)處理程度的試驗件而實現(xiàn)，所述高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法包括以下步驟： 獲取所述不同預(yù)處理程度的試驗件的蠕變曲線； 獲取所述不同預(yù)處理程度的試驗件的基體-氧化熱影響層的有限元模型； 根據(jù)蠕變協(xié)變形理論，得到所述試驗件的氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型； 將編入有所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的子程序植入到有限元軟件； 結(jié)合所述蠕變曲線和有限元模型在所述有限元軟件進(jìn)行計算，得到所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)； 根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法，其特征在于，所述獲取所述不同預(yù)處理程度的試驗件的基體-氧化熱影響層的有限元模型具體包括以下步驟： 根據(jù)所述不同預(yù)處理程度的試驗件的氧化試驗結(jié)果，獲取基體-氧化熱影響層的分層幾何模型； 根據(jù)所述分層幾何模型各層的特點，對所述基體-氧化熱影響層進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到所述試驗件的基體-氧化熱影響層的有限元模型。 

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法，其特征在于，所述將編入有所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的子程序植入到有限元軟件的步驟過程中，所述有限元軟件為ABAQUS。 

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法，其特征在于，所述根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論具體包括以下步驟： 根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的最優(yōu)參數(shù)； 在所述最優(yōu)參數(shù)下，得到與所述最優(yōu)參數(shù)對應(yīng)的條件下，對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論。 

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法，其特征在于，所述根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的最優(yōu)參數(shù)具體包括以下步驟： 賦予所述不同預(yù)處理程度的試驗件相應(yīng)有限元模型的基體-氧化熱影響層不同的力學(xué)參數(shù)，在編有所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的子程序的所述有限元軟件進(jìn)行計算，得到計算結(jié)果； 根據(jù)所述計算結(jié)果與不同預(yù)處理程度的試驗件的蠕變曲線進(jìn)行比對，得到所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的最優(yōu)參數(shù)。 

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法，其特征在于，所述根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論具體包括以下步驟： 在所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的最優(yōu)參數(shù)條件下，針對所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型預(yù)設(shè)不同的處理條件，經(jīng)過分析，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論。 

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法，其特征在于，所述根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論的步驟過程中，所述對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論通過對應(yīng)試件的應(yīng)力隨時間變化曲線圖、對應(yīng)試件的損傷隨時間變化曲線圖表示。 

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法，其特征在于，所述根據(jù)蠕變協(xié)變形理論，得到所述試驗件的氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的步驟過程中，所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型滿足式（1）： （1） 式（1）中， -試驗件的蠕變剪應(yīng)變率， -試驗件的初始蠕變率， -試驗件的滑移系，n-試驗件的溫度蠕變參數(shù)，為與蠕變剪應(yīng)變相關(guān)的指數(shù)， -蠕變損傷機(jī)制中的孔洞損傷， -蠕變損傷機(jī)制中的材料劣化；其中，孔洞損傷 和材料劣化 的演化方程如下： （2） （3） 式（2）、（3）中， -初始損傷率，m-溫度蠕變參數(shù)，為與孔洞損傷率相關(guān)的指數(shù)，C、p-氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型參數(shù)； 根據(jù)式（1）、（2）、（3）進(jìn)行拆分整理，得到： （4） 在式（4）條件下，考慮蠕變剪應(yīng)變率 與分切應(yīng)力 的關(guān)系，并時間t進(jìn)行積分拆分整理，得到： （5） 式（5）中， A是由不同應(yīng)力條件下蠕變實驗結(jié)果曲線擬合得到的材料參數(shù)， -蠕變損傷， 代表原始材料沒有損傷值， 代表材料斷裂時的損傷值；對宏觀應(yīng)變率 進(jìn)行積分，得到宏觀變形量 ： （6） 根據(jù)協(xié)變形理論，內(nèi)外部材料變形相等即位移相等的原則，有： （7） 式（7）中， 、 -內(nèi)外部材料位移； 對蠕變損傷 進(jìn)行時間積分，當(dāng)損傷達(dá)到1時，試件發(fā)生蠕變斷裂，因此有： （8） 式（8）中，N-滑移系的個數(shù)， -蠕變壽命。 

9.高溫合金應(yīng)力損傷演化裝置，其特征在于，所述高溫合金應(yīng)力及損傷演化裝置基于不同預(yù)處理程度的試驗件而實現(xiàn)，所述高溫合金應(yīng)力及損傷演化裝置包括： 蠕變曲線獲取模塊，用于獲取所述不同預(yù)處理程度的試驗件的蠕變曲線； 有限元模型獲取模塊，用于獲取所述試驗件的基體-氧化熱影響層的有限元模型； 氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型獲取模塊，用于根據(jù)蠕變協(xié)變形理論，得到所述試驗件的氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型； 子程序植入模塊，用于將編入有所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的子程序植入到有限元軟件； 參數(shù)獲取模塊，用于結(jié)合所述蠕變曲線和有限元模型在所述有限元軟件進(jìn)行計算，得到所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)； 應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論生成模塊，用于根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論。 

10.計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上存儲有高溫合金應(yīng)力及損傷演化程序，所述高溫合金應(yīng)力及損傷演化程序被處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)權(quán)利要求1-8中任一所述的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法的步驟。 11.一種電子設(shè)備，其特征在于，包括存儲器和處理器，所述存儲器上存儲有高溫合金應(yīng)力及損傷演化程序，所述高溫合金應(yīng)力及損傷演化程序被處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)權(quán)利要求1-8中任一所述的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法的步驟。

說明書

高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法、裝置、存儲介質(zhì)及電子設(shè)備

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法、裝置、存儲介質(zhì)及電子設(shè)備。

背景技術(shù)

鎳基單晶高溫合金在高溫下具有優(yōu)異的蠕變、疲勞以及抗氧化性能，被廣泛應(yīng)用于熱端結(jié)構(gòu)部件。但是，現(xiàn)有技術(shù)中，考慮氧化作用的高溫合金應(yīng)力及損傷演化過程研究較少，導(dǎo)致難以預(yù)測鎳基單晶高溫合金的服役壽命。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法、裝置、存儲介質(zhì)及電子設(shè)備，其能夠確定氧化對高溫合金蠕變性能的作用效果，揭示氧化熱影響層和基體層的失效機(jī)理差異，從而更加適于實用。

為了達(dá)到上述第一個目的，本發(fā)明提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法基于不同預(yù)處理程度的試驗件而實現(xiàn)，所述高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法包括以下步驟：

獲取所述不同預(yù)處理程度的試驗件的蠕變曲線；

獲取所述不同預(yù)處理程度的試驗件的基體-氧化熱影響層的有限元模型；

根據(jù)蠕變協(xié)變形理論，得到所述試驗件的氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型；

將編入有所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的子程序植入到有限元軟件；

根據(jù)蠕變協(xié)變形理論，得到所述試驗件的氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型；

將編入有所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的子程序植入到有限元軟件；

結(jié)合所述蠕變曲線和有限元模型在所述有限元軟件進(jìn)行計算，得到所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)；

根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論。

本發(fā)明提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實現(xiàn)。

作為優(yōu)選，所述步驟獲取所述不同預(yù)處理程度的試驗件的基體-氧化熱影響層的有限元模型具體包括以下步驟：

根據(jù)所述不同預(yù)處理程度的試驗件的氧化試驗結(jié)果，獲取基體-氧化熱影響層的分層幾何模型；

根據(jù)所述分層幾何模型各層的特點，對所述基體-氧化熱影響層進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到所述不同預(yù)處理程度的試驗件的基體-氧化熱影響層的有限元模型。

作為優(yōu)選，所述將編入有所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的子程序植入到有限元軟件的步驟過程中，所述有限元軟件為ABAQUS。

作為優(yōu)選，所述步驟根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論具體包括以下步驟，

根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的最優(yōu)參數(shù)；

在所述最優(yōu)參數(shù)下，得到與所述最優(yōu)參數(shù)對應(yīng)的條件下，對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論。

作為優(yōu)選，所述步驟根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的最優(yōu)參數(shù)具體包括以下步驟：

所述不同預(yù)處理程度的試驗件的蠕變曲線，賦予所述不同預(yù)處理程度的試驗件相應(yīng)有限元模型的基體-氧化熱影響層不同的力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行計算，得到計算結(jié)果；

根據(jù)所述計算結(jié)果進(jìn)行比對，得到所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的最優(yōu)參數(shù)。

作為優(yōu)選，所述步驟根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論具體包括以下步驟：

在所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的最優(yōu)參數(shù)條件下，針對所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型預(yù)設(shè)不同的處理條件，經(jīng)過分析，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論。

作為優(yōu)選，所述根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論的步驟過程中，所述對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論通過對應(yīng)試件的應(yīng)力隨時間變化曲線圖、對應(yīng)試件的損傷隨時間變化曲線圖表示。

作為優(yōu)選，所述根據(jù)蠕變協(xié)變形理論，得到所述試驗件的氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的步驟過程中，所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型滿足式（1）：

（1）式（1）中， -試驗件的蠕變剪應(yīng)變率， -試驗件的初始蠕變率， -試驗件的滑移系，n-試驗件的溫度蠕變參數(shù)，為與蠕變剪應(yīng)相關(guān)的指數(shù)， -蠕變損傷機(jī)制中的孔洞損傷， -蠕變損傷機(jī)制中的材料劣化；其中，（2）（3）式（2）、（3）中， -初始損傷率，m-溫度蠕變參數(shù)，為與孔洞損傷率相關(guān)的指數(shù)，C、p-氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型參數(shù)；根據(jù)式（1）、（2）、（3）進(jìn)行拆分整理，得到：（4）在式（4）條件下，考慮蠕變剪應(yīng)變率 與分切應(yīng)力 的關(guān)系，并時間t進(jìn)行積分拆分整理，得到：

（5）式（5）中， -蠕變損傷， 代表原始材料沒有損傷值， 代表材料斷裂時的損傷值；

對宏觀應(yīng)變率 進(jìn)行積分，得到宏觀變形量 ：（6）根據(jù)協(xié)變形理論，內(nèi)外部材料變形相等即位移相等的原則，有：

（7）式（7）中， 、 -內(nèi)外部材料位移；對蠕變損傷 進(jìn)行時間積分，當(dāng)損傷達(dá)到1時，試件發(fā)生蠕變斷裂，因此有：

（8）式（8）中，N-滑移系的個數(shù)， -蠕變壽命。

為了達(dá)到上述第二個目的，本發(fā)明提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化裝置的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供的高溫合金應(yīng)力損傷演化裝置基于不同預(yù)處理程度的試驗件而實現(xiàn)，所述高溫合金應(yīng)力及損傷演化裝置包括：

蠕變曲線獲取模塊，用于獲取所述不同預(yù)處理程度的試驗件的蠕變曲線；

有限元模型獲取模塊，用于獲取所述不同預(yù)處理程度的試驗件的基體-氧化熱影響層的有限元模型；

氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型獲取模塊，用于根據(jù)蠕變協(xié)變形理論，得到所述試驗件的氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型；

子程序植入模塊，用于將編入有所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的子程序植入到有限元軟件；

參數(shù)獲取模塊，用于結(jié)合所述蠕變曲線和有限元模型在所述有限元軟件進(jìn)行計算，得到所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)；

應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論生成模塊，用于根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論。

為了達(dá)到上述第三個目的，本發(fā)明提供的計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供的計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上存儲有高溫合金應(yīng)力及損傷演化程序，所述高溫合金應(yīng)力及損傷演化程序被處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)本發(fā)明提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法的步驟。

為了達(dá)到上述第四個目的，本發(fā)明提供的電子設(shè)備的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供的電子設(shè)備包括存儲器和處理器，所述存儲器上存儲有高溫合金應(yīng)力及損傷演化程序，所述高溫合金應(yīng)力及損傷演化程序被處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)本發(fā)明提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法的步驟。

本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法、裝置、存儲介質(zhì)及電子設(shè)備一方面預(yù)氧化分層損傷模型可具體揭示氧化熱影響層和基體層的失效機(jī)理差異，可推廣至具有多層材料結(jié)構(gòu)蠕變機(jī)理的揭示和壽命的預(yù)測，為鎳基單晶材料試驗測試提供參考；另一方面基于氧化行為對材料性能的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，降低對其力學(xué)行為的影響，為研究合金實際服役性能提供理論依據(jù)。

附圖說明

通過閱讀下文優(yōu)選實施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點和益處對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實施方式的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：

附圖1為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法的步驟流程圖；

附圖2為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法應(yīng)用的試驗件的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的不同預(yù)處理程度的試驗件的蠕變曲線圖；

附圖4（a）為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的試驗件的基體-氧化熱影響層的斷口形貌圖；

附圖4（b）為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的試驗件的基體-氧化熱影響層的有限元模型示意圖；

附圖5為本發(fā)明實施提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的不同預(yù)氧化條件下的蠕變試驗?zāi)M結(jié)果示意圖；

附圖6（a）為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的試驗件在最優(yōu)參數(shù)條件下的應(yīng)力分布示意圖；

附圖6（b）為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的試驗件在最優(yōu)參數(shù)條件下的分切應(yīng)力分布示意圖；

附圖6（c）為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的試驗件在最優(yōu)參數(shù)條件下的分切應(yīng)變分布示意圖；

附圖6（d）為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的試驗件在最優(yōu)參數(shù)條件下的損傷分布示意圖；

附圖7（a）為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的兩相模型在預(yù)氧化50h條件下的蠕變應(yīng)力分布示意圖；

附圖7（b）為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的兩相模型在預(yù)氧化200h條件下的蠕變應(yīng)力分布示意圖；

附圖7（c）為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的兩相模型在預(yù)氧化500h條件下的蠕變應(yīng)力分布示意圖；

附圖8為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的試驗件在預(yù)氧化50h（熱影響層厚度為19μm）、200h（熱影響層厚度為42μm）和500h（熱影響層厚度為70μm）條件下的應(yīng)力曲線圖；

附圖9為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法涉及的試驗件在預(yù)氧化500h后基體和熱影響層的損傷演化曲線圖；

附圖10為本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化裝置各功能模塊之間的信號流向關(guān)系示意圖；

附圖11為本發(fā)明實施例提供的硬件運行環(huán)境的高溫合金應(yīng)力及損傷演化設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法、裝置、存儲介質(zhì)及電子設(shè)備，其能夠確定氧化對高溫合金蠕變性能的作用效果，揭示氧化熱影響層和基體層的失效機(jī)理差異，從而更加適于實用。

為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效,以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的一種高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法、裝置、存儲介質(zhì)及電子設(shè)備，其具體實施方式、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說明如后。在下述說明中，不同的“一實施例”或“實施例”指的不一定是同一實施例。此外，一或多個實施例中的特定特征、結(jié)構(gòu)或特點可由任何合適形式組合。

本文中術(shù)語“和/或”，僅僅是一種描述關(guān)聯(lián)對象的關(guān)聯(lián)關(guān)系，表示可以存在三種關(guān)系，例如，A和/或B，具體的理解為：可以同時包含有A與B，可以單獨存在A，也可以單獨存在B，能夠具備上述三種任一種情況。

長期處于高溫條件下的合金材料一方面由于氧化會在表面形成氧化層和熱影響層，另一方面對基體的微觀組織演變有不可忽視的影響，就會導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生嚴(yán)重退化。熱影響層與材料的基體具有不同的力學(xué)性能，在蠕變的條件下其損傷演化與基體存在差別，且該層易萌生微裂紋和微缺陷，加速了試樣的蠕變斷裂?；诂F(xiàn)有文獻(xiàn)，大部分研究只停留在對氧化和蠕變具體的機(jī)理描述，缺乏系統(tǒng)的建模研究。因此如何評價不同預(yù)氧化程度對材料性能的影響，如何定量表征材料的蠕變行為，并基于此提出考慮氧化作用的蠕變損傷預(yù)測模型也是亟待解決的問題。

為解決上述問題，本公開實施方式提供一種高溫合金預(yù)氧化分層損傷模型，可得到多層結(jié)構(gòu)的高溫蠕變應(yīng)力和損傷演化結(jié)果。

舉例而言，所述試驗件可以為采用第二代鎳基單晶合金制作而成的工字形試驗件，此處不再詳細(xì)描述。

高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法實施例

參見附圖1-附圖9，本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法包括以下步驟：

S110，對目標(biāo)試驗件進(jìn)行預(yù)處理試驗，將不同預(yù)處理程度的試驗件再進(jìn)行蠕變試驗以得到相應(yīng)的蠕變曲線；

S120，根據(jù)氧化試驗結(jié)果，建立所述試驗件的基體-氧化熱影響層的兩相幾何模型和網(wǎng)格模型；

S130，基于所述蠕變協(xié)變形理論提出氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型，并編入用戶子程序（UMAT）植入到有限元軟件ABAQUS；

S140，以蠕變試驗曲線結(jié)果和有限元計算結(jié)果為基礎(chǔ)，，在ABAQUS中進(jìn)行計算對比擬合得到模型參數(shù)；

S150，在最優(yōu)模型參數(shù)下分析得到相應(yīng)條件下的應(yīng)力及損傷演化。

由此，本申請的預(yù)氧化分層損傷模型建立了預(yù)氧化程度和蠕變損傷之間的關(guān)系，通過該模型可具體揭示氧化熱影響層和基體層的失效機(jī)理差異。相較于現(xiàn)有的高溫合金蠕變損傷模型，本申請的預(yù)氧化分層損傷模型考慮材料實際服役環(huán)境，使模型模擬得到的結(jié)果更接近真實試驗數(shù)據(jù)。

下面對本公開實施方式提供的一種高溫合金預(yù)氧化分層損傷模型進(jìn)行詳細(xì)說明：

在步驟S110中，對目標(biāo)試驗件進(jìn)行預(yù)處理試驗，將不同預(yù)處理程度的試驗件再進(jìn)行蠕變試驗以得到相應(yīng)的的蠕變曲線。

具體地，對所述試驗件分組在相同溫度下進(jìn)行不同時間的高溫氧化試驗，需單獨研究熱處理對蠕變行為的影響，采取的方式為試樣在氧化后研磨去除表面氧化層和熱影響層之后對試樣進(jìn)行蠕變試驗。每種條件下至少取得3個有效試驗數(shù)據(jù)。

步驟S120，根據(jù)氧化試驗結(jié)果，建立所述試驗件的基體-氧化熱影響層的兩相幾何模型和網(wǎng)格模型。

具體地，根據(jù)所述試驗件在氧化腐蝕環(huán)境下真實的蠕變損傷情況，其承載截面的大小應(yīng)為原始面積去除氧化影響產(chǎn)生的外層區(qū)域。

由此，結(jié)合氧化試驗結(jié)果及蠕變斷口形貌建立不同厚度基體-氧化熱影響層的兩相幾何模型。另外，在幾何模型的基礎(chǔ)上，通過調(diào)試對熱影響層和基體進(jìn)行合適的網(wǎng)格劃分，并對兩相界面進(jìn)行局部細(xì)化使結(jié)果精準(zhǔn)性提高。

步驟S130，基于所述蠕變協(xié)變形理論提出氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型，并編入用戶子程序（UMAT）植入到有限元軟件ABAQUS。

具體地，在Kachanov和Ravbotnov提出的連續(xù)損傷模型以及Yeh提出的損傷演化率的基礎(chǔ)上，建立分切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率同時主導(dǎo)的蠕變損傷模型：

式中， 為所述試驗件的蠕變剪應(yīng)變率， 為初始蠕變率， 表所述試驗件的不同滑移系，n為所述試驗件的溫度蠕變參數(shù)， 和 分別代表了蠕變損傷機(jī)制中的孔洞損傷和材料劣化，且式中 為初始損傷率，m為溫度蠕變參數(shù)，C和p為模型參數(shù)。

對上述蠕變損傷模型進(jìn)行拆分整理可得：

對時間t進(jìn)行積分： 

考慮蠕變剪應(yīng)變率 與分切應(yīng)力 的關(guān)系，對上式變形得到：

其中 為材料的損傷， 代表原始材料沒有損傷， 代表材料斷裂時的損傷值。

代入分切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率主導(dǎo)的蠕變損傷模型中可得：

對宏觀應(yīng)變率 進(jìn)行積分： 根據(jù)協(xié)變形理論內(nèi)外部材料變形相等即位移相等的原則， 相消失層和基體的變形是一致的，因此有： 另外，試樣的原始加載應(yīng)力為 ，隨著蠕變的進(jìn)行， 相消失層承載應(yīng)力為 ，基體承載應(yīng)力為 ，則有

即： 式中，S0，S1和S2分別是指原始截面， 相消失層和基體的有效受力面積。

對蠕變損傷 進(jìn)行時間積分，當(dāng)損傷達(dá)到1時，試件發(fā)生蠕變斷裂，因此有：

N為滑移系的個數(shù)， 為蠕變壽命。

將以上基于協(xié)變形理論的蠕變損傷本構(gòu)方程，通過FORTRAN語言編入用戶子程序（UMAT），并補(bǔ)充到ABAQUS軟件包中。

S140，以蠕變試驗曲線結(jié)果和有限元計算結(jié)果為基礎(chǔ)，在ABAQUS中進(jìn)行計算對比擬合得到模型參數(shù)。

具體地，考慮到氧化腐蝕環(huán)境下熱影響層材料易萌生缺陷，其力學(xué)性能顯著退化，與材料的基體具有不同的力學(xué)性能，因此應(yīng)賦予各層不同的蠕變力學(xué)參數(shù)。

另外，材料的基體在蠕變過程中也會產(chǎn)生熱處理預(yù)損傷。基于前述不同預(yù)處理條件試驗結(jié)果即試樣在氧化后研磨去除表面氧化層和熱影響層之后對試樣進(jìn)行蠕變試驗的結(jié)果，結(jié)合蠕變損傷理論可以得到基體相應(yīng)熱處理時間下的初始損傷。

不同氧化時間下的幾何模型具有不同厚度的熱影響層，基于熱處理演化后的不同初始損傷的基體的數(shù)值，擬合不同厚度氧化層得到相應(yīng)模型參數(shù)。

以蠕變試驗曲線結(jié)果和有限元計算結(jié)果為基礎(chǔ)，將得到的模型參數(shù)計算結(jié)果與其對比，若不符合結(jié)果便進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整至最優(yōu)模型參數(shù)。

S150，在最優(yōu)模型參數(shù)下分析得到相應(yīng)條件下的應(yīng)力及損傷演化。

具體地，將有限元分析獲得的最優(yōu)參數(shù)帶入用戶子程序（UMAT），并用ABAQUS計算分析得到不同預(yù)氧化條件下基體及氧化熱影響層對應(yīng)應(yīng)力及損傷演化。

高溫合金應(yīng)力及損傷演化裝置實施例

參見附圖10，本發(fā)明實施提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化裝置包括：

蠕變曲線獲取模塊，用于獲取所述不同預(yù)處理程度的試驗件的蠕變曲線；

具體地，對所述試驗件分組在相同溫度下進(jìn)行不同時間的高溫氧化試驗，需單獨研究熱處理對蠕變行為的影響，采取的方式為試樣在氧化后研磨去除表面氧化層和熱影響層之后對試樣進(jìn)行蠕變試驗。每種條件下至少取得3個有效試驗數(shù)據(jù)。

有限元模型獲取模塊，用于獲取所述不同預(yù)處理程度的試驗件的基體-氧化熱影響層的有限元模型；

具體地，根據(jù)所述試驗件在氧化腐蝕環(huán)境下真實的蠕變損傷情況，其承載截面的大小應(yīng)為原始面積去除氧化影響產(chǎn)生的外層區(qū)域。

由此，結(jié)合氧化試驗結(jié)果及蠕變斷口形貌建立不同厚度基體-氧化熱影響層的兩相幾何模型。另外，在幾何模型的基礎(chǔ)上，通過調(diào)試對熱影響層和基體進(jìn)行合適的網(wǎng)格劃分，并對兩相界面進(jìn)行局部細(xì)化使結(jié)果精準(zhǔn)性提高。

氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型獲取模塊，用于根據(jù)蠕變協(xié)變形理論，得到所述試驗件的氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型；

具體地，在Kachanov和Ravbotnov提出的連續(xù)損傷模型以及Yeh提出的損傷演化率的基礎(chǔ)上，建立分切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率同時主導(dǎo)的蠕變損傷模型：

式中， 為所述試驗件的蠕變剪應(yīng)變率， 為初始蠕變率， 代表所述試驗件的不同滑移系，n為所述試驗件的溫度蠕變參數(shù)， 和 分別代表了蠕變損傷機(jī)制中的孔洞損傷和材料劣化，且式中 為初始損傷率，m為溫度蠕變參數(shù)，C和p為模型參數(shù)。

對上述蠕變損傷模型進(jìn)行拆分整理可得：

對時間t進(jìn)行積分：

考慮蠕變剪應(yīng)變率 與分切應(yīng)力 的關(guān)系，對上式變形得到：

其中 為材料的損傷， 代表原始材料沒有損傷， 代表材料斷裂時的損傷值。

代入分切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率主導(dǎo)的蠕變損傷模型中可得：

對宏觀應(yīng)變率 進(jìn)行積分：

根據(jù)協(xié)變形理論內(nèi)外部材料變形相等即位移相等的原則， 相消失層和基體的變形是一致的，因此有： 

另外，試樣的原始加載應(yīng)力為 ，隨著蠕變的進(jìn)行， 相消失層承載應(yīng)力為 ，基體承載應(yīng)力為 ，則有

即： 

式中，S0，S1和S2分別是指原始截面， 相消失層和基體的有效受力面積。

對蠕變損傷 進(jìn)行時間積分，當(dāng)損傷達(dá)到1時，試件發(fā)生蠕變斷裂，因此有：

N為滑移系的個數(shù)， 為蠕變壽命。

子程序植入模塊，用于將編入有所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的子程序植入到有限元軟件；

具體地，將以上基于協(xié)變形理論的蠕變損傷本構(gòu)方程，通過FORTRAN語言編入用戶子程序（UMAT），并補(bǔ)充到ABAQUS軟件包中。

參數(shù)獲取模塊，用于結(jié)合所述蠕變曲線和有限元模型在所述有限元軟件進(jìn)行計算，得到所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)；

具體地，考慮到氧化腐蝕環(huán)境下熱影響層材料易萌生缺陷，其力學(xué)性能顯著退化，與材料的基體具有不同的力學(xué)性能，因此應(yīng)賦予各層不同的蠕變力學(xué)參數(shù)。

另外，材料的基體在蠕變過程中也會產(chǎn)生熱處理預(yù)損傷。基于前述不同預(yù)處理條件試驗結(jié)果即試樣在氧化后研磨去除表面氧化層和熱影響層之后對試樣進(jìn)行蠕變試驗的結(jié)果，結(jié)合蠕變損傷理論可以得到基體相應(yīng)熱處理時間下的初始損傷。

不同氧化時間下的幾何模型具有不同厚度的熱影響層，基于熱處理演化后的不同初始損傷的基體的數(shù)值，擬合不同厚度氧化層得到相應(yīng)模型參數(shù)。

以蠕變試驗曲線結(jié)果和有限元計算結(jié)果為基礎(chǔ)，將得到的模型參數(shù)計算結(jié)果與其對比，若不符合結(jié)果便進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整至最優(yōu)模型參數(shù)。

應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論生成模塊，用于根據(jù)所述氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù)，得到對應(yīng)的試驗件的應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論。

具體地，將有限元分析獲得的最優(yōu)參數(shù)帶入用戶子程序（UMAT），并用ABAQUS計算分析得到不同預(yù)氧化條件下基體及氧化熱影響層對應(yīng)應(yīng)力及損傷演化分析結(jié)論。

電子設(shè)備實施例

其中，參照圖11，圖11為本發(fā)明實施例方案涉及的高溫合金應(yīng)力及損傷演化設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖11所示，該高溫合金應(yīng)力及損傷演化設(shè)備可以包括：處理器1001，例如中央處理器Central Processing Unit，CPU，通信總線1002、用戶接口1003，網(wǎng)絡(luò)接口1004，存儲器1005。其中，通信總線1002用于實現(xiàn)這些組件之間的連接通信。用戶接口1003可以包括顯示屏Display、輸入單元比如鍵盤Keyboard，可選用戶接口1003還可以包括標(biāo)準(zhǔn)的有線接口、無線接口。網(wǎng)絡(luò)接口1004可選的可以包括標(biāo)準(zhǔn)的有線接口、無線接口如無線保真WIreless-FIdelity，WI-FI接口。存儲器1005可以是高速的隨機(jī)存取存儲器Random Access Memory，RAM存儲器，也可以是穩(wěn)定的非易失性存儲器Non-Volatile Memory，NVM，例如磁盤存儲器。存儲器1005可選的還可以是獨立于前述處理器1001的存儲裝置。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，圖11中示出的結(jié)構(gòu)并不構(gòu)成對高溫合金應(yīng)力及損傷演化設(shè)備的限定，可以包括比圖示更多或更少的部件，或者組合某些部件，或者不同的部件布置。

如圖11所示，作為一種存儲介質(zhì)的存儲器1005中可以包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、用戶接口模塊以及高溫合金應(yīng)力及損傷演化程序。

在圖11所示的高溫合金應(yīng)力及損傷演化設(shè)備中，網(wǎng)絡(luò)接口1004主要用于與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；用戶接口1003主要用于與用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；本發(fā)明高溫合金應(yīng)力及損傷演化設(shè)備中的處理器1001、存儲器1005可以設(shè)置在高溫合金應(yīng)力及損傷演化設(shè)備中，高溫合金應(yīng)力及損傷演化設(shè)備通過處理器1001調(diào)用存儲器1005中存儲的高溫合金應(yīng)力及損傷演化程序，并執(zhí)行本發(fā)明實施例提供的高溫合金應(yīng)力及損傷演化方法。

實施例

本實施例的一種高溫合金預(yù)氧化分層損傷模型，其實施流程如附圖1所示，所述試驗件可以為采用第二代鎳基單晶合金制作而成的工字形試驗件，結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。具體操作包括以下步驟：

（1）將多組工字形試驗件在1100℃下經(jīng)歷不同氧化時間后進(jìn)行980℃/270MPa蠕變試驗。每種條件下至少取得3個有效試驗數(shù)據(jù)。

（2）取蠕變壽命為中間值的曲線進(jìn)行分析與擬合，所述試驗件的蠕變曲線如圖3所示。

（3）依據(jù)試驗結(jié)果在ABAQUS軟件中建立所述試驗件的基體-氧化熱影響層的兩相模型，同時進(jìn)行合適的網(wǎng)格劃分和局部細(xì)化如圖4所示。

（4）將氧化-蠕變損傷本構(gòu)模型通過用戶子程序（UMAT）嵌入有限元軟件ABAQUS。隨后，為基體賦予相應(yīng)熱處理時間下的初始損傷。基于熱處理演化后的不同初始損傷的基體的數(shù)值，賦予氧化層較大的數(shù)值，擬合不同厚度氧化層得到合適的數(shù)值。將計算結(jié)果與蠕變試驗曲線結(jié)果和有限元計算結(jié)果（圖5）進(jìn)行對比，反復(fù)調(diào)整至最優(yōu)模型參數(shù)。

（5）采用最優(yōu)參數(shù)得到基體及氧化熱影響層的應(yīng)力、應(yīng)變及損傷的分布如圖6（a）、6（b）、6（c）、6（d）所示。預(yù)氧化50h，200h，500h的熱影響層厚度分別為19μm，42μm和70μm，其各自的應(yīng)力演化如圖7（a）、7（b）、7（c）、8所示。以預(yù)氧化500h為例，其損傷變化曲線如圖9所示。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。