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．

This study aims to clarify the quantitative analysis of the governing factors for high temperature fatigue damage of the most advanced heat resistant alloys. This degradation damage process, structural materials under high temperature and high load environment degradation damage, material composition, constituent atoms of the force-dependent differential acceleration atomic dispersion phenomenon (D = D0exp{-(Q-σV)/kT}), the basic damage generation. D is a constant number, D0 is a constant number, Q is a thermodynamic definition, activation is a constant number, σ is a constant force, V is a constant volume, k is a constant number, T is a constant temperature. In particular, this year, the force-dependent term is highly accurate, and the activation of degradation damage is quantified. Q '= Q - (SF)σnom V [ 1 - exp{-α(εnom +εint -εcr)}]. The maximum value of Schmid factor of crystal grain, α, σnom, εnom, εint, εcr, α, α, ε, α, α, ε, α, αThe results show that the particle boundary strength decreases as a result of the decrease in particle boundary strength due to the decrease in activation near the particle boundary, the formation of atomic voids, the acceleration of aggregation, and the deterioration of particle boundary quality. The degradation of grain strength was confirmed by molecular dynamics analysis. The crystal orientation difference between adjacent crystal grains, the basic property difference, the internal difference, the reoccurrence, the deterioration, the acceleration, the acceleration.

项目成果

Acceleration Mechanism of the Degradation of the Strength of Heat-Resistant Alloys under Creep-Fatigue Loading at Elevated Temperatures

高温蠕变疲劳载荷下耐热合金强度退化的加速机制

• 发表时间: 2021
• 作者: Run-Zi Wang;Lv-Y iCheng;Shun-Peng Zhu;Peng-Cheng Zhao;Hideo Miura;Xian-Cheng Zhang;Shan-TungTu;Runzi Wang;Run-Zi Wang;Run-Zi Wang;Hideo Miura
• 通讯作者: Hideo Miura

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

Ni基耐熱合金の高温クリープ疲労損傷に及ぼすひずみ速度の影響の基礎検討

应变速率对镍基耐热合金高温蠕变疲劳损伤影响的基础研究

• 发表时间: 2021
• 作者: Takahashi;Motoki and Masumi Owa;Makoto Katori;中山歩美;中山昴紀
• 通讯作者: 中山昴紀