题目：粉末冶金材料及结构的力学行为试验与数值模拟

随着航空发动机性能要求的提高，涡轮盘作为发动机中的关键结构件承受越来越高的温度和离心载荷，因而性能优异的粉末高温合金广泛应用于先进航空发动机中，研究其力学性能对粉末高温合金的进一步应用有重要意义。另一方面，出于结构设计和冷却需要，实际涡轮盘结构形状复杂，导致局部应力集中和应力梯度的产生，促进裂纹的萌生和扩展；同时，由于粉末冶金工艺的特殊性，使得缺陷难以避免，这也导致了局部应力集中的产生，势必对粉末高温合金材料和实际涡轮盘结构件的疲劳寿命产生影响。本文基于这种现状，针对新一代粉末高温合金FGH97材料及结构的力学行为与疲劳性能开展了以下几个方面研究。

首先，开展了FGH97合金材料变形特征试验研究以确定其基本力学性能，试验结果表明，FGH97合金在循环载荷条件下具有循环硬化和平均应力松弛的特性。另一方面，开展了高温条件下半圆形和半椭圆形缺口试样低循环疲劳试验以研究应力集中对FGH97合金裂纹萌生和扩展的影响，试验研究表明，缺口应力集中导致的局部塑性变形对缺口试样裂纹萌生有明显影响，而且受缺口局部塑性影响，缺口根部裂纹初始扩展是由缺口塑性和裂纹尖端塑性共同决定的，根据试验结果给出了缺口塑性影响区与载荷之间的关系，此外温度升高导致材料晶界弱化，其断裂特征由穿晶断裂转变为沿晶断裂，裂纹沿晶界扩展，加速了裂纹扩展速率。

其次，基于变形特征试验结果获得了FGH97合金Chaboche粘塑性本构模型参数，能够较好地反映其循环塑性变形特征，并进一步应用于缺口试样局部循环应力应变分析中，研究表明：随着循环数的增加，缺口根部塑性区出现明显的应力松弛，并逐渐趋于稳定，导致缺口根部循环应力比与施加的外部载荷比不同。此外，为了更高效准确地获得缺口局部循环应力应变，基于Chaboche粘塑性本构内变量演化规律和试验结果，发展了一种循环应力应变简化计算方法，采用粘塑性本构方程前3个循环的计算结果便可较为快速准确地获得后续循环的应力应变，光滑试样循环应力应变计算结果表明，其与试验结果十分接近，误差在5%以内。

再次，开展了FGH97合金缺口试样低循环疲劳寿命预测方法研究，对比分析了局部应力应变法、Taylor临界距离法、体积法和考虑应力梯度影响的寿命预测方法对FGH97合金缺口试样疲劳寿命预测的结果，并将传统体积法与Walker寿命预测方程结合，综合考虑了局部应力应变梯度和应力比的影响，使得其对低循环疲劳寿命的预测精度进一步提高；此外，将发展的简化应力应变计算方法与寿命预测方程相结合，采用迭代的方式开展了FGH97合金缺口试样疲劳寿命预测，该法充分考虑缺口局部的应力松弛，取得了较为满意的预测结果。

然后，对含缺陷粉末高温合金材料试样局部应力集中开展了有限元数值模拟，主要研究了孔洞和夹杂物两类缺陷随距材料表面距离变化对局部应力集中的影响，并考虑夹杂物与基体的相对关系(固连、剥离)，在有限元模型中分别设置了共节点和接触两种计算方式。数值模拟结果表明：在相同无量纲参数d/r下，孔洞导致的应力集中系数最高，其次为夹杂物与基体剥离，而夹杂物与基体固连时导致的应力集中系数最小；就缺陷位置影响而言，对于孔洞，随着孔洞从表面向亚表面移动，应力集中系数增大，且在无量纲参数d/r=1时达到最大值，随着孔洞从材料亚表面向内部移动时，应力集中系数逐渐降低并趋于稳定，对于夹杂物，其导致的应力集中系数随着d/r的增大逐渐降低；采用考虑应力梯度影响的疲劳寿命预测方法可以较好地获得缺陷(孔洞)对材料疲劳寿命的影响规律。

最后，开展了实际粉末高温合金涡轮盘应力和寿命分析工作，将考虑应力梯度影响的疲劳寿命预测方法用于粉末高温合金涡轮盘不考虑缺陷和考虑缺陷影响的疲劳寿命预测中，并从裂纹扩展分析的角度探讨了FGH97合金含缺陷涡轮盘裂纹扩展特性分析方法，由此得出了一些对粉末盘工程设计和应用有益的结论，也提供了一条粉末高温合金材料及其构件疲劳寿命预测可借鉴的途径。