[发明专利]一种基于EBSD表征和晶体塑性的疲劳微裂纹扩展预测方法

说明书

本发明公开了一种基于EBSD表征和晶体塑性的疲劳微裂纹扩展预测方法，包括以下步骤：获取应力应变迟滞回线；编写宏观粘塑性本构模型，确定其参数；建立宏观构件的有限元模型，并赋予其粘塑性本构材料参数，进行疲劳加载，获得构件的宏观应力场和位移场，初步确定其危险部位；编写晶体塑性本构模型，确定其参数；建立局部细观模型；确定危险晶粒；引入初始裂纹，并由裂纹萌生模型确定萌生寿命；在裂纹尖端判断开裂晶粒及相邻晶粒的累积应变能耗散密度分布，以初始裂纹的终点为起点，在具有最大累积应变能耗散密度滑移系上继续引入新的穿晶裂纹；并确定微裂纹扩展寿命。本发明能够虑及局部晶粒的微结构特征对裂纹扩展行为的影响。

技术领域

本发明涉及一种基于EBSD表征和晶体塑性的疲劳微裂纹扩展预测方法，属于结构强度及有限元数值模拟领域。

背景技术

航空发动机涡轮盘作为核心热端部件，服役于极端环境工况，承受复杂载荷，包括交变机械载荷、振动载荷和热应力，由此导致的低周疲劳失效成为威胁航空发动机涡轮盘结构完整性的主要失效形式之一。发展可靠的低周疲劳失效预测和评估方法，对航空发动机结构完整性设计具有重要意义。

低周疲劳总寿命根据疲劳裂纹物理发展过程可以分为三个主要阶段，即微裂纹萌生、微裂纹扩展和长裂纹扩展。传统上运用最为广泛的低周疲劳寿命评估方法为基于Manson-Coffin方程及其各类衍生形式的全寿命评估法。而长裂纹扩展基于经典断裂力学模型(即Paris公式)已有比较成熟的理论和扩展寿命预测方法。但是对于微裂纹萌生和微裂纹扩展，其与局部微结构特征密切相关，如晶粒尺寸和相邻晶粒的晶界特征等，同时由于微裂纹长度与塑性区尺寸可比，经典断裂力学中使用的评估参数应力强度因子无法适用。涡轮盘在服役工况下具有较高的载荷水平，这意味着裂纹萌生后会快速扩展并断裂失效，微裂纹萌生和扩展在整个寿命中占有较高的比重。而目前对于微裂纹萌生和扩展评估仍然没有较为统一的方法，亟待发展虑及局部微结构特征的疲劳裂纹萌生和全阶段裂纹扩展的寿命预测模型。专利CN 113435099A提出一种多尺度疲劳损伤演化模型的疲劳寿命预测方法，但其细观模型基于Voronoi模型，未考虑局部真实微结构特征，且微裂纹扩展模型未显式引入裂纹，无法考虑裂纹尖端应力重分布的影响。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于EBSD表征和晶体塑性的疲劳微裂纹扩展预测方法，该预测方法能够虑及局部晶粒的微结构特征对裂纹扩展行为的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于EBSD表征和晶体塑性的疲劳微裂纹扩展预测方法，包括以下步骤：

(1)通过开展构件服役温度下的标准低周疲劳试验，获取应力应变迟滞回线；

(2)使用FORTRAN子程序编写宏观粘塑性本构模型，由立方单元模型贴合低周疲劳试验应力应变曲线，确定宏观粘塑性本构模型参数；

(3)建立宏观构件的有限元模型，并赋予其粘塑性本构材料参数，进行疲劳加载，获得构件的宏观应力场和位移场，初步确定其危险部位；

(4)使用FORTRAN子程序编写晶体塑性本构模型，并由EBSD表征获取材料的晶粒取向分布特征信息，建立代表性体积单元，通过贴合标准低周疲劳试验与代表性体积单元平均应力应变响应，确定晶体塑性本构模型参数；

(5)由EBSD表征危险部位的局部细观晶粒微结构特征，并由表征结果建立局部细观模型，赋予各晶粒晶体塑性本构模型，采用子模型法，以宏观粘塑性模型的位移场为边界条件，计算局部细观应力应变场以及滑移系累积应变能耗散密度的分布；

(6)以细观场计算所得的累计剪应变为疲劳度量参量，确定危险晶粒；针对危险晶粒，计算其各滑移系的累积应变能耗散密度，并以累积应变能耗散密度最大的滑移系为开裂滑移系，引入初始裂纹，并由裂纹萌生模型确定萌生寿命；