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金属学报    DOI: 10.11900/0412.1961.2025.00260
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FGH96合金高温拉-扭复合疲劳变形机制与多轴本构建模方法

董成利1,2,3,4   洪建锋1   尚德广5   沙爱学1,2,3   郭广平3,4

Deformation Mechanism and Multiaxial Constitutive Modeling Method of High-Temperature Tension–Torsion Fatigue in FGH96 Superalloy

DONG Chengli1,2,3,4, HONG Jianfeng1, SHANG Deguang5, SHA Aixue1,2,3, GUO Guangping3,4

引用本文:

董成利, 洪建锋, 尚德广, 沙爱学, 郭广平. FGH96合金高温拉-扭复合疲劳变形机制与多轴本构建模方法[J]. 金属学报, DOI: 10.11900/0412.1961.2025.00260.

全文: PDF(2674 KB)  
摘要: 
为了揭示FGH96合金在涡轮盘高温多轴疲劳服役特性下的变形机制和力学行为,本工作开展了FGH96合金在650 ℃条件下的拉-扭复合疲劳实验,研究了其在单轴疲劳、0°比例加载疲劳以及45°和90°非比例加载疲劳条件下的循环应力演变规律,采用EBSD和TEM技术揭示了FGH96合金在比例加载和非比例加载条件下的变形机制,建立了考虑非比例附加硬化效应的改进型Chaboche黏塑性统一本构模型。结果表明,FGH96合金在非比例加载条件下表现出明显的非比例附加硬化现象,非比例附加硬化主要是由强烈的位错增殖和交互以及位错线高度缠结引起的;随着非比例加载程度的增加,FGH96合金的位错密度逐渐提高,位错线由平直转变为弯曲组态;相比于传统Chaboche黏塑性统一本构模型,考虑非比例附加硬化效应的改进型Chaboche本构模型对迟滞环应力范围预测精度显著提高,能够满足工程设计中变形计算相对误差小于5%的一般要求。
关键词 拉-扭复合疲劳多轴本构非比例附加硬化位错密度循环变形    
Abstract

To elucidate the deformation mechanisms and mechanical behavior of FGH96 superalloy under high-temperature multiaxial fatigue conditions relevant to gas turbines, tension–torsion combined fatigue experiments were conducted at 650 °C. The cyclic stress evolution under uniaxial fatigue, 0° proportional loading fatigue, and 45° and 90° non-proportional loading fatigue was systematically investigated. EBSD and TEM were employed to examine the deformation mechanisms of FGH96 superalloy under both proportional and non-proportional loading conditions. Based on the Chaboche viscoplastic framework, a unified constitutive model incorporating non-proportional hardening was developed. The results indicate that FGH96 superalloy exhibits pronounced non-proportional hardening under non-proportional loading. The additional hardening mainly arises from intense dislocation multiplication and interaction, accompanied by severe dislocation entanglement. With increasing degree of non-proportional loading, the dislocation density gradually increases, and slip lines evolve from straight to curved configurations. Compared with the traditional Chaboche viscoplastic unified constitutive model, the proposed model incorporating non-proportional hardening significantly improves the prediction accuracy of the hysteresis loop stress range, achieving relative errors below 5%, which satisfies typical engineering requirements for deformation prediction.


Key wordstension-torsion combined fatigue    multi-axial constitutive model    non-proportional additional hardening    dislocation density    cyclic deformation
收稿日期: 2025-09-03     
基金资助:稳定支持项目(2019-363)
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