Особенности и единое описание I, II и III стадий ползучести монокристаллических жаропрочных сплавов

Исследованы особенности процесса ползучести жаропрочных монокристаллических сплавов на никелевой основе для различных кристаллографических ориентаций в широком диапазоне температур и времен выдержки. Представлены результаты экспериментальных исследований процессов высокотемпературной ползучести, полученные для различных монокристаллических сплавов. Для рассматриваемых диапазонов температур и уровней нагрузок наблюдается доминирование III стадии ползучести. Предложены единые модели ползучести для описания I, II и III стадий с учетом накопления повреждений на основе соотношений Нортона – Бейли и степенного закона эволюции для скалярной меры поврежденности Качанова – Работнова. В зависимости от необходимости учета I стадии рассматривается иерархическая последовательность моделей ползучести различной степени сложности. Для описания только II и III стадий достаточно модели материала, включающей шесть констант. Одновременный учет всех трех стадий может быть осуществлен с использованием девятиконстантной модели. Предположение об отсутствии повреждений на I стадии приводит к модели материала с десятью константами. Вводимый дополнительный десятый параметр характеризует длительность первой стадии. В работе предложены методы идентификации параметров введенных моделей на основе метода наименьших квадратов с использованием метода Недлера – Мида для решения задачи минимизации функционала ошибок. Представлены результаты верификации предложенных моделей неупругого деформирования материалов для используемых на практике различных жаропрочных монокристаллических сплавов на никелевой основе. Среднеквадратическое отклонение между результатами экспериментов и расчетов с использованием всех предложенных моделей ползучести не превышает 10 %, что позволяет рекомендовать разработанный подход для оценки уровня необратимо накопленных деформаций и долговечности элементов конструкций из жаропрочных монокристаллических сплавов.

1. Катанаха Н. А., Гецов Л. Б., Семёнов А. С. Модификация модели ползучести повышенной точности прогноза при большой длительности нагружения и идентификация ее параметров / Деформация и разрушение материалов. 2013. № 10. С. 16 – 23.

2. Локощенко А. М. Моделирование процесса ползучести и длительной прочности металлов. — М.: МГИУ, 2007. — 263 с.

3. Naumenko K., Altenbach H. Modeling of Creep for Structural Analysis. — Springer, 2007.

4. Семенов С. Г., Гецов Л. Б., Семенов А. С., Петрушин Н. В., Оспенникова О. Г., Живушкин А. А. К вопросу о повышении ресурсных возможностей сопловых лопаток газотурбинных двигателей на основе использования нового монокристаллического сплава / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2016. № 4. С. 30 – 38.

5. Семенов С. Г., Гецов Л. Б., Тихомирова Е. А., Семенов А. С. Особенности ползучести и длительной прочности жаропрочных монокристаллических сплавов на никелевой основе / Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. № 12(726). С. 29 – 37.

6. Semenov A. S., Beliaev M. O., Grishchenko A. I. Modeling of cross-section ovality of single crystal nickel-based superalloy samples under tension / PNRPU Mechanics Bulletin. 2017. N 2. P. 153 – 177.

7. Getsov L. B., Semenov A. S., Tikhomirova E. A., Rybnikov A. I. Thermocyclic-and static-failure criteria for single-crystal superalloys of gas-turbine blades / Materiali in Tehnologije. 2014. Vol. 48. Issue 2. P. 255 – 260.

8. Семенов А. С., Гецов Л. Б. Критерии термоусталостного разрушения монокристаллических жаропрочных сплавов и методы определения их параметров / Проблемы прочности. 2014. № 1. С. 50 – 62.

9. Pollock T. M., Argon A. S. Creep resistance of CMSX-3 nickel base superalloy single crystals / Acta Metallurgica et Materialia. 1992. Vol. 40. N 1. P. 1 – 30.

10. Радаев Ю. Н. Тензорные меры поврежденности и гармонический анализ тонкой структуры поврежденности / Вестник Самарского гос. ун-та, 1998. № 2(8). С. 79 – 105.

11. Семенов А. С. Идентификация параметров анизотропии феноменологического критерия пластичности монокристаллов на основе микромеханической модели / Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физ.-мат. науки. 2014. № 2(154). С. 15 – 29.

12. Murakami S., Ohno N. A continuum theory of creep and creep damage / Creep in structures. A. R. S. Ponter, D. R. Hayhurst (eds.). — Berlin: Springer, 1981. P. 422 – 443.

13. Betten J. Damage tensors in continuum mechanics / Journal de Mйcanique thйorique et appliquй. 1983. Vol. 2. N 1. P. 13 – 32.

14. Гецов Л. Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. Книга 1. — Рыбинск: Изд. дом «Газотурбинные технологии», 2010. — 595 с.

15. Катанаха Н. А., Семенов А. С., Гецов Л. Б. Единая модель долгосрочной и краткосрочной ползучести и идентификация ее параметров / Проблемы прочности. 2013. № 4. С. 143 – 157.

16. Катанаха Н. А., Семенов А. С., Гецов Л. Б. Долговечность гибов высокотемпературных паропроводов в условиях длительной эксплуатации / Теплоэнергетика. 2015. № 4. С. 32 – 42.

17. Cormier J., Milhet X., Mendez J., Cailletaud G. Modeling the [001] non-isothermal creep behavior of a second generation single crystal NI-based superalloy submitted to very high temperature overheat / Труды ЦКТИ. 2009. Вып. 296. С. 199 – 215.

18. Himmelblau D. Applied Nonlinear Programming. — McGraw-Hill, 1972. — 536 p.

19. Getsov L. B., Semenov A. S., Grudinin A. N., Rybnikov A. I. Fracture Behavior of Single-Crystal Alloys Under Thermocyclic Loading / Strength of Materials. 2019. Vol. 51(2). P. 202 – 213.

20. Семенов А. С., Грищенко А. И., Колотников М. Е., Гецов Л. Б. Конечно-элементный анализ термоциклической прочности лопаток газовых турбин. Сообщение 1 / Вестник УГАТУ. 2019. Т. 23. № 1(83). С. 70 – 81.

21. Семенов А. С., Грищенко А. И., Колотников М. Е., Гецов Л. Б. Конечно-элементный анализ термоциклической прочности лопаток газовых турбин. Сообщение 2 / Вестник УГАТУ. 2019. Т. 23. № 2(84). С. 61 – 74.