镍基单晶高温合金因其优越的高温抗疲劳、抗蠕变性能,已成为制造航空涡轮发动机热端部件的重要材料。镍基单晶合金的低周疲劳损伤是影响镍基单晶合金涡轮叶片寿命的重要方面,但迄今为止国内外对这方面的许多问题还缺乏深入的研究。本文以镍基单晶合金涡轮叶片的寿命分析为工程背景,采用理论分析、数值模拟和试验验证相结合的方法,对镍基单晶合金的热弹塑性行为和高温低周疲劳性能进行了深入的研究,建立了相应的本构关系和寿命预测模型。最后利用ANSYS有限元结构分析软件对某发动机涡轮盘-片系统进行三维非线性循环应力-应变分析,并对镍基单晶合金涡轮叶片的低周疲劳寿命进行了预测。 全文分为两部分:第一部分研究镍基单晶合金的屈服行为和弹塑性本构关系,并进行有限元验证和数值模拟;第二部分进行镍基单晶合金低周疲劳试验研究和寿命预测模型研究,探索疲劳寿命与不同状态参量之间的关系,分别从能量耗散原理和不可逆热力学理论出发,建立两种低周疲劳寿命预测模型,并利用试验数据对模型进行考核验证,进而用于真实构件的计算分析。具体为: 第二章假设镍基单晶合金的屈服函数是由若干应力偏张量的不变量的线性组合构成,用应力偏张量分量的平方乘积项构成的应力不变量考虑正交各向异性材料在偏轴受载时存在的拉、剪应力耦合效应,对Hill屈服准则进行修正,提出新的镍基单晶合金屈服准则,给出了新屈服准则中各向异性参数的确定方法,并重新定义了等效应力和等效应变的表达式,用于各向同性材料,新屈服准则及其等效应力和等效应变则退化为von Mises屈服准则及其相应的等效应力和等效应变。第三章从Druker公设出发,依据联合流动法则,采用等向硬化模型,建立了镍基单晶合金的弹塑性增量型本构关系,并推导出弹塑性矩阵的显示表达式。第四章根据前两章建立的镍基单晶合金弹塑性理论的有关公式,编制有限元分析程序,将其集成到ANSYS软件中,利用镍基单晶合金拉伸试验数据验证上述理论和公式的正确性和实用性,并在此基础上,对镍基单晶合金缺口试样进行热弹塑性循环应力-应变场的数值模拟。 第五章对DD3镍基单晶合金在680℃温度的单向拉伸和低周疲劳试验结果进行分析讨论,探索疲劳寿命与不同状态参量之间的关