引文格式:
Okamoto R, Suzuki S, Sakaguchi M, et al. Evolution of short-term creep strain field near fatigue crack in single crystal Ni-based superalloy measured by digital image correlation[J]. International Journal of Fatigue, 2022, 162: 106952.
Okamoto, Ryota, et al. "Evolution of short-term creep strain field near fatigue crack in single crystal Ni-based superalloy measured by digital image correlation." International Journal of Fatigue 162 (2022): 106952.
Okamoto, R., Suzuki, S., Sakaguchi, M., & Inoue, H. (2022). Evolution of short-term creep strain field near fatigue crack in single crystal Ni-based superalloy measured by digital image correlation. International Journal of Fatigue, 162, 106952.
背景简介
为了阐明燃气轮机和喷气发动机中使用的高温部件的断裂机理,以及准确评估这些部件的剩余寿命,学者们已经进行了大量的工作。为了解决这些问题,通过考虑蠕变变形来了解高温下的疲劳裂纹扩展(FCP)行为非常重要。近年来,喷气发动机和燃气轮机部件的最高温度已超过900 ℃, 其中与蠕变变形相关的FCP行为是显著的。然而,目前仍然难以阐明这种行为机制,因为在高温下,疲劳裂纹尖端周围会同时出现各种现象,如应力应变场变化和各种类型的退化。为了阐明这些复杂的断裂机制,首先有必要阐明裂纹尖端周围的应力应变场如何随温度、保载时间和保载载荷大小而变化。
对于疲劳裂纹尖端在蠕变条件下的应力应变场,常基于裂纹尖端参数J积分J*(或C*)的方法和基于有限元数值计算的方法进行分析。直接对疲劳裂纹尖端蠕变变形场进行测量也是必要的,因为通过测量的蠕变变形场可以对计算结果进行验证,以提高裂纹尖端蠕变变形分析的准确性。数字图像相关(DIC)方法已被用于裂纹尖端的蠕变应变场分析,DIC方法是基于物体表面产生的随机图案的变形来测量平面内的位移和应变场。这种方法的优点是无需使用复杂设备,只需通过拍摄变形前后随机图案的图像即可进行位移和应变场的测量。本文开发了一种高温DIC测量系统,其克服了随机图案的退化、热辐射和热霾三个难题,在短期蠕变应变场测量中,新开发的DIC系统体现出了高重复性和可靠性。基于DIC方法对疲劳裂纹尖端的蠕变应变场进行分析,将DIC测量结果与有限元方法进行比较,验证了有限元方法的准确性,并基于有限元方法对疲劳裂纹附近的蠕变应力场进行了分析。
成果介绍
(1)本研究开发了一种准确可靠的DIC测试系统,如图1所示,该系统解决了随机图案的退化、热辐射和热霾三个问题。对于随机图案的退化问题,通过使用喷枪喷涂商用耐热涂料制作随机图案,进行一系列热处理后,对不同厚度的白色层进行分析,结果如图2所示,并由此选择合理的白色层厚度用于试验分析;对于热辐射问题,通过一个蓝色发光二极管(LED)和一个带通滤波器抑制热辐射的影响,蓝色LED和带通滤波器安装位置见图1;对于热霾问题,采用开放环境和感应加热系统相结合的方法简化加热和测量设置,使用空气喷嘴促进空气流动以减轻热霾的影响,图3中给出了900 ℃下未施加载荷时有空气流和无空气流的应变场结果,验证了促进空气流动用于减轻热霾影响的有效性。
(2)该方法用于原位测量温度高达900℃的镍基单晶高温合金疲劳裂纹尖端附近的蠕变应变场。在C(T)试样(图4)中引入疲劳裂纹,然后在高温下对试样施加拉伸保载(图5)。在拉伸保载期间,基于DIC系统在不同温度和不同保载下测量了疲劳裂纹尖端附近蠕变应变场随时间的变化,结果表明,所提出的DIC系统在短期蠕变应变场测量方面具有高重复性和可靠性,应变和应变率随着温度和保载的增加而增加(图6、图7和图8)
(3)利用有限元法计算了裂纹尖端的应力分布,并通过计算应变与测量结果的比较验证了有限元方法的准确性(图9)。由此,基于有限元方法进行了应力场的计算,结果表明,在拉伸保载超过180 min的情况下,裂纹尖端的应力降低了约35%(图10)。
致谢
非常感谢Yuki Otsuka先生和Shunsuke Ono先生在建立实验装置方面所作的贡献;感谢Edanz编辑了本文手稿。
本期小编:舒 阳(整理)
杨逸璠(校对)
程 航(审核)
闵 琳(发布)
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