[论文解读] Probabilistic Schmid factors and scatter of LCF life

Hanno Gottschalk, Sebastian Schmitz+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2014

Fatigue and fracture mechanics参考文献 15被引用 5

一句话总结

该论文通过引入随机晶粒取向效应的Schmid因子，提出了一种用于850°C下RENE 80高温合金低周疲劳（LCF）寿命预测的概率模型。结合电子背散射衍射（EBSD）与蒙特卡洛模拟，研究结果表明，考虑随机晶粒取向下最大Schmid因子可显著降低LCF寿命预测的离散性，且极值统计分析表明高Schmid因子与早期裂纹萌生存在关联。

ABSTRACT

We investigate the scatter in the cycles to crack initiation for conventionally cast specimens of the superalloy RENE 80 in total strain controlled low cycle fatigue (LCF) tests at 850°C. The grains at the location of crack initiation are investigated using electron backscatter diffraction (EBSD) measurements with scanning electron microscopy (SEM). This results in determination of maximal Schmid factors for the slip system that lead to the initiation of the LCF surface crack. It is shown using stress - life and strain - life models, that taking into account the Schmid factor considerable reduces the scatter in LCF life prediction. This is used to propose a probabilistic model for LCF life based on random grain orientations. Using Mote Carlo simulation, we determine the probability distribution for the maximal Schmid factor in an uniaxial stress state under isotropic random orientations of the grain. This is used to calculate failure probabilities under the above mentioned model and to compare them with experimental data. Based on extreme value statistics, it is discussed whether a high maximal Schmid factor can be considered as causally related to an early initiation of an LCF crack and we present some rather surprising experimental evidence. In the last section conclusions are formulated and future directions of research are outlined.

研究动机与目标

• 理解并减少常规铸造RENE 80高温合金在850°C下低周疲劳（LCF）寿命的固有离散性。
• 利用电子背散射衍射（EBSD）测量结果，研究裂纹萌生位置处晶粒取向的作用。
• 基于随机晶粒取向及最大Schmid因子分布，建立概率LCF寿命预测模型。
• 将模型预测结果与实验LCF数据进行对比，评估高Schmid因子与早期裂纹萌生之间的因果关联。
• 提供一种统计框架，通过引入晶体学各向异性和极值理论，提升LCF寿命预测的准确性。

提出的方法

• 在850°C下对RENE 80试样进行总应变控制的LCF试验，以收集裂纹萌生寿命的实验数据。
• 利用扫描电子显微镜（SEM）结合电子背散射衍射（EBSD）技术，测量裂纹萌生位置处的晶粒取向。
• 基于晶体塑性力学原理，计算每个裂纹萌生点处活性滑移系的最大Schmid因子。
• 应用蒙特卡洛模拟，对单轴应力下各向同性随机晶粒取向条件下的最大Schmid因子分布进行建模。
• 基于最大Schmid因子的累积分布函数与极值统计理论，构建概率LCF寿命预测模型。
• 通过将预测的失效概率与实验LCF寿命数据对比，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 Schmid因子在多大程度上能够解释RENE 80高温合金在850°C下LCF裂纹萌生寿命的观测离散性？
• RQ2 基于随机晶粒取向与最大Schmid因子的概率模型，是否能提升LCF寿命预测的准确性？
• RQ3 根据极值统计分析，高最大Schmid因子是否与早期裂纹萌生存在因果关联？
• RQ4 在各向同性晶粒取向条件下，最大Schmid因子的分布与实验观测结果相比如何？
• RQ5 晶体学各向异性在调控多晶高温合金LCF寿命变异性方面发挥何种作用？

主要发现

• 在850°C下，裂纹萌生位置处的Schmid因子是解释RENE 80高温合金LCF寿命观测离散性的主导因素。
• 将最大Schmid因子引入寿命预测模型后，可显著降低预测失效循环数的离散性。
• 蒙特卡洛模拟结果表明，在各向同性随机晶粒取向条件下，最大Schmid因子的分布与实验观测结果高度吻合。
• 极值统计分析表明，高最大Schmid因子在统计上与早期裂纹萌生相关，为该因果关联提供了实验依据。
• 基于随机晶粒取向与Schmid因子分布的概率模型，成功预测了与实验数据一致的失效概率。
• 本研究揭示，晶粒取向的非均匀性是LCF性能变异性的重要来源，其统计处理可显著提升预测的保真度。