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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
单晶叶片在航空发动机上的应用已将近30年，为了最大限度地提高其在高温蠕变方面的应用潜力，人们不断对其材料成分和工艺进行改进，现已发展的单晶使用温度可达1200℃以上。不断变更的材料成分和工艺加上持续提高的使用温度，使得对单晶细观变形机理的探索及对其蠕变性能的深入研究和模拟成为必须要解决的题目。本文针对单晶材料在变形过程中细观两相结构显著的演化特征以及基体和沉淀相中不同的位错运动机制，对影响单晶蠕变性能的典型细观因素和位错运动过程进行了详细分析和研究，得到了有益的结论。以明确区分两相的单晶胞元模型为研究对象，建立了解析的三维应力应变分析方法，能够得到材料在任意方向加载时胞元的三维应力应变状态。为了更加准确地了解单晶材料受力时其细观胞元结构真实的应力应变状态，用有限元法分别对二维和三维的胞元模型进行了建模，并分析其加载时不同区域的应力分布特点。参考有限元分析结果，对胞元建立了分区的二维和三维应力应变解析模型，并用FORTRAN进行了程序实现。对比这三种方法的计算结果并给出了差异评价，为后面对胞元的蠕变分析奠定了基础。分别利用胞元的有限元模型和三维解析模型，对结合滑移系理论的幂律蠕变方程和含位错密度的蠕变方程，进行了拉伸条件下的应力和蠕变过程模拟，得到了位错密度对蠕变性能模拟的重要影响，并校验了三维解析模型的合理性。文中首先简述了滑移蠕变的门槛应力和经典的蠕变模型，然后给出了两种蠕变方程，并对基于系统能量演化的位错密度更新方法进行了详细论述。最后全面比较了两种方式的滑移系开动和蠕变变形结果，得到了滑移系理论结合位错密度在蠕变特征模拟方面的优势，其中对胞元有限元模型的分析利用ABAQUS的UMAT子程序实现。通过对文献中单晶位错运动研究结果的大量分析和规律总结，建立了基于细观胞元结构的位错运动蠕变模型，可以实现材料任意方向的拉伸、循环及中温(750℃~900℃)蠕变的模拟。参考国内外对不同单晶材料的众多试验研究结论，建立了基于位错增殖、剪切、攀移、恢复滑移及交滑移运动的位错蠕变模型，给出了针对胞元不同区域，不同位错运动的门槛应力，滑移系分切剪应力和滑移蠕变速率。通过对SC16，SRR99和DD3在不同温度下的力学性能模拟，表明这种基于细观胞元结构的位错蠕变模型在模拟能力上的全面性和准确性。为了使上述中温蠕变模型在高温时同样能有较好的模拟效果，建立了针对胞元结构中沉淀相的高温筏化模型和针对两相厚度的细观结构演化模型，实现了材料高温变形时细观演化过程的定量模拟，从而得到了更加贴近试验的高温蠕变模拟结果。文中首先针对细观变形中最为显著的沉淀相筏化题目，提出了筏化类型和方向的判断准则，并对胞元解析模型中沉淀相的尺寸进行更新，建立了筏化模型。在对SRR99和DD3的高温蠕变分析中，得到了γ′相的筏化过程和γ相不同通道的宽度变化。为了进一步明确细观胞元结构中各部分尺寸变化的大小和快慢对宏观蠕变性能的影响，文中详细分析了NASAIR 100在不同温度和应力下带中断的蠕变试验现象，提炼出显著影响蠕变性能的4个细观特征量，通过总结这些变量在不同条件下的表现，给出了筏长最终值的预测公式以及两相厚度在初始和蠕变第三阶段的演化模型，并得到了相关参数。将扩展了的胞元细观结构演化模型应用到对NASAIR 100的蠕变分析中，得到了比原来的结果更加贴近试验曲线的结论，体现了这4个细观特征量对蠕变的影响。为了更加直观地得到单晶初始的细观状态对其蠕变性能的影响，文中分析了一系列合金成分类似，但初始细观状态不同的单晶材料在某一温度下的细观演化特征及其蠕变表现，提取出3个细观特征参数，根据其影响规律，定义了细观演化状态量 。对UF-M系列单晶合金的分析表明，材料的初始错配度，γ′相的初始体积分数以及γ相的最宽基体通道值对蠕变的影响十分显著，当由这三者组成的细观演化状态量 的值负的越大时，蠕变寿命越长，且此细观演化状态量的初始值 与蠕变寿命呈近似的线性关系，可以通过材料细观演化状态量的初始值对其在特定条件下的蠕变持久寿命进行预测。最后通过对CMSX-4的各向异性模拟，以及对DD3叶身的蠕变计算，表明了计及细观结构演化的胞元位错蠕变模型能实现在中/高温范围内，对单晶材料较为全面、准确的性能模拟和对结构的蠕变寿命分析。 |
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发表于 2024-3-10 22:38:13
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