Quantitative Evaluation of residual life of heat-resistant alloy under random creep-fatigue loadings at elevated temperature

高温随机蠕变疲劳载荷下耐热合金剩余寿命的定量评价

• 批准号: 21H01205
• 负责人: 三浦 英生
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01205/
• 关键词: 高温強度; クリープ疲労; 原子配列の秩序性; 粒界割れ; 電子線後方散乱解析; クリープ疲労損傷; 電子線後方散乱回折; 原子配列の秩序生

本研究では各種高効率エネルギープラントで応用される最先端耐熱合金の高温クリープ疲労損傷の支配因子の定量的な解明を目的としている．この劣化損傷の進行過程を，構造材料の高温高負荷環境における劣化損傷が材料を構成する構成原子の応力依存の異方的増速原子拡散現象（D = D0exp{-(Q-σV)/kT}）に基づき発生することを明らかにした．ここでDは拡散定数，D0は定数，Qは熱力学的に定義される平衡状態での活性化エネルギー，σは作用する応力，Vは等価体積，kはボルツマン定数，Tは絶対温度である．特に本年度においては応力依存項を高精度化し，劣化損傷の活性化エネルギーをQ’ = Q - (SF)σnom V [ 1 - exp{-α(εnom +εint -εcr)}]で表現することで粒界品質に依存した劣化の活性化エネルギーの多様性を定量的に把握できることを実証した．ここでSFは粒界を構成する結晶粒のSchmid因子の最大値，αは定数，σnomは公称応力，εnomは公称ひずみ，εintは格子不整合，εcrは弾性限界ひずみである．この局所的ひずみエネルギーに依存して粒界近傍の活性化エネルギーが減少し，原子空孔や転位の発生，集積が加速することで粒界品質が劣化し，結果として粒界強度が減少することで粒界割れが急激に加速し破断寿命の著しい現象を引き起こすことを定量的に解明した．また，この粒界強度の劣化現象を分子動力学解析によって確認実証した．粒界近傍に発生する局所ひずみ集中場は，格子不整合に加えて，隣接する結晶粒間の結晶方位差に基づく弾性率差によって公称応力下で発生するひずみ差が重畳することで上記劣化損傷がさらに加速することが明らかになった．

这项研究旨在定量阐明在各种高效能源厂应用的最先进的耐热合金中，高温蠕变疲劳损伤的主要因素。据揭示，这种恶化损伤的进展是基于应力依赖性各向异性，加速的原子扩散现象（d = d = d0exp { - （q-σv）/kt}）的结构材料的高负荷环境的进展。其中d是扩散常数，d0是常数，q是热力学定义平衡中的激活能，σ是作用于作用的应力，v是等效体积，k是玻尔兹曼常数，t是绝对温度。特别是，今年，我们已经证明，通过提高压力依赖性项的准确性并表达降解损害的激活能量为q'= q - （sf）σnomv [1- exp {-α（εnom +εInt -εInt -εcr）}]，我们可以定量地掌握降解晶粒活力的多样性依赖于粒度的差异依赖于粒度的多样性。在这里，SF是构成晶界的晶粒的Schmid因子的最大值，α是常数，σnom是标称应力，εnom是标称应变，εint是晶格不匹配，而εcr是弹性极限菌株。我们定量地阐明了晶界附近的激活能量取决于局部应变能量，以及原子空位和脱位的产生和积累导致晶界强度的降低，从而导致晶界破裂的突然加速，从而导致分类寿命的重大现象。此外，通过分子动力学分析证实了晶界强度的这种恶化现象。据透露，除了晶格不匹配之外，由于相邻晶体晶粒之间的晶体方向差异，由于弹性模量差异而引起的名义应力重叠产生的应变差异，这加速了上述降低损害。

项目成果

A data-driven roadmap for creep-fatigue reliability assessment and its implementation in low-pressure turbine disk at elevated temperatures

• DOI: 10.1016/j.ress.2022.108523
• 发表时间: 2022-04
• 期刊: Reliab. Eng. Syst. Saf.
• 作者: Run-Zi Wang;Hang-Hang Gu-Hang;Shun‐Peng Zhu;Kai-Shang Li;Ji Wang;Xiao-Wei Wang;Miura Hideo

Molecular Dynamics Analysis on the Degradation Mechanism of the Crystallinity and Strength of Grain Boundaries in Heat-resistant Alloys under Creep-Fatigue Loading at Elevated Temperatures

高温蠕变疲劳载荷下耐热合金结晶度和晶界强度退化机理的分子动力学分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 近藤俊之;Shogo Tezuka
• 通讯作者: Shogo Tezuka

東北大学 三浦・鈴木研究室

东北大学三浦/铃木实验室

Change of the Effective Strength of Grain Boundaries in Ni-base Superalloy GH4169 (IN718) under Creep-Fatigue Loadings at Elevated Temperatures

高温蠕变疲劳载荷下镍基高温合金 GH4169 (IN718) 晶界有效强度的变化

• DOI: 10.1115/imece2022-94701
• 发表时间: 2023
• 期刊: Proc. ASME IMECE2022
• 作者: Ayumi Nakayama;Runzi Wang;Hideo Miura
• 通讯作者: Hideo Miura

Effect of Strain Rate on the Creep-Fatigue Damage of Polycrystalline Ni-Base Superalloy at Elevated Temperature

应变速率对多晶镍基高温合金高温蠕变疲劳损伤的影响

• DOI: 10.1115/imece2022-94282
• 发表时间: 2023
• 期刊: Proc. ASME IMECE2022
• 作者: Koki Nakayama;Hideo Miura
• 通讯作者: Hideo Miura