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鎳基高溫合金GH4169的熱機械疲勞行為

651   編輯:中冶有色技術網   來源:錢春華,崔海濤,溫衛東  
2024-04-16 16:47:11
航空發動機的熱端部件受交變機械載荷和交變溫度載荷的疊加作用,產生的損傷使其疲勞壽命嚴重降低[1~9] GH4169是應用最廣的熱端部件材料,研究其熱機械疲勞行為,對設計部件的結構和預測其壽命都極為重要 Evans等[10]研究了IN718的同相位和反相位的熱機械疲勞,在R=0(應變比)和R=-∞條件下研究了這種材料的熱機械疲勞壽命和應變幅的關系 Jacobsson等[11]也進行了IN718多個應變比的同相位及反相位熱機械疲勞實驗,研究裂紋擴展并分析了疲勞斷口 Johan J等對IN718進行熱機械疲勞實驗,研究了保持時間對裂紋擴展的影響[12, 13] 德國弗賴堡弗勞恩霍夫材料力學研究院也進行了IN718的熱機械疲勞實驗,發現低應變速率導致較高的裂紋擴展速率 隨著實驗設備的更新和實驗水平的提高,中國學者也開始了材料的熱機械疲勞實驗研究[14~19] 但是,對GH4169合金的研究只限于改進制作工藝和討論高溫低周疲勞性能,缺少熱機械疲勞實驗數據 鑒于此,本文對GH4169合金進行不同溫度區間的機械疲勞實驗,研究相位、溫度、應變速率等因素對其熱機械疲勞特性的影響

1 實驗方法

實驗用材料為GH4169合金,化學成分列于表1 將其鑄造成型后進行固溶和時效處理(熱處理制度A,1050℃固溶15 min,水冷+725℃時效15 h,空冷) 根據實驗機的情況設計疲勞試件,試件滿足《金屬材料疲勞實驗軸向應變控制方法》(GB/T 26077-2010)的要求,其尺寸在圖1中給出

Table 1

表1

表1GH4169合金的化學成分

Table 1Chemical composition of GH4169 alloy (mass fraction, %)

C Cr Mo Al Ti Nb Fe Si B P Mn S Ni
0.03 18.92 3.3 0.56 1.00 5.35 17.6 0.07 0.011 0.022 0.02 0.002 Bal.


圖1



圖1試件尺寸

Fig.1Specimen size (unit: mm)

熱機械疲勞實驗在MTS809疲勞實驗機上完成,實驗溫度由射頻感應加熱系統控制,使用熱電偶采集,用感應線圈加熱,用空氣壓縮機通過多個噴嘴進行冷卻;用高溫引伸計采集應變數據

依據標準《金屬材料熱機械疲勞實驗方法》(GJB6213-2008)進行實驗,實驗加載包括溫度和機械應變 在進行熱機械疲勞實驗時,溫度處于循環變化狀態,溫差的變化產生熱應變,因此在熱機械疲勞實驗前必須補償熱應變以得到機械應變,從而實現機械加載循環的實時控制,具體方法見GJB 6213-2008 疲勞實驗時用總應變控制的三角波加載,總應變為熱應變與機械應變之和 本文對多個工況進行了應變控制的熱機械疲勞實驗,應變比R=-1,循環周期分別為100、125、200 s;實驗溫度范圍為200~450℃和400~650℃;機械應變幅包括±0.55%(反相位),±0.6%(同,反),±0.8%(同),±0.9%(同) 對于每個工況進行兩次實驗,取兩次實驗結果的平均值 熱機械疲勞實驗后,用掃描電鏡(SEM)觀察疲勞斷口

2 結果和討論2.1 GH4169合金在不同工況下的熱機械實驗結果

熱處理后GH4169合金的晶粒長大,晶粒度約為5級,晶粒直徑為80 μm~100 μm;晶界比較平直,晶界和晶內均無明顯δ相析出,晶內有較多的孿晶 這種合金處理后析出大量的強化相γ″相和γ'相,γ″相為主要強化相,屬于體心四方結構,γ'相屬于面心立方結構 可將γ″相看作由γ'相的兩個晶胞組成,中間是反相疇界

表2列出了不同工況下的實驗結果 本文為應變控制的熱機械實驗,輸入載荷為機械應變,根據實驗數據可直接得出壽命、塑性應變、最大應力、最小應力及平均應力 從表2可見,相位角、溫度范圍(ΔT)、周期(T)、機械應變(12Δεm)對材料的壽命(N,即循環數)、塑性應變(Δεp)、最大峰值應力(σmax)、最小峰值應力(σmin)、平均應力(σm)等均有影響 材料在同相位(In-Phase,IP)時的壽命低于反相位(Out-of-Phase,OP)時的壽命 其原因是,在熱機械疲勞循環過程中同相位條件下拉伸半周蠕變分量的增加及高溫氧化的作用,蠕變和氧化產生的損傷大于拉伸應力產生的損傷;在較高溫度區間(400~650℃)材料的疲勞壽命大幅度降低;周期越長(即應變速率越慢)材料的壽命越短,隨著機械應變幅的增大壽命減短

Table 2

表2

表2不同實驗條件下的熱機械疲勞實驗結果

Table 2Thermomechanical fatigue test results under different test conditions

Phase ΔT/℃ 12Δεm/% T/s N Δεp/% σmax/MPa σmin/MPa σm/MPa
IP

200~

450

0.6 125 2701 0.440 406 -600 -194
0.7 1747 0.442 504 -723 -219
0.8 103 0.446 580 -866 -286
0.9 55 0.898 636 -736 -100
IP

400~

650

0.6 100 165 0.105 840 -998 -158
0.6 125 50 0.103 735 -937 -202
0.6 200 27 0.068 820 -1030 -210
OP

400~

650

0.55 125 196 0.471 816 -705 111
0.6 125 170 0.393 1118 -868 250


2.2 循環應力-應變特性

與等溫疲勞相比,在熱機械條件下GH4169穩定滯回曲線具有明顯的不對稱性,即拉壓不對稱 其根本原因是,在不同溫度下材料抵抗變形的能力不同 在高溫下材料抵抗變形的能力降低,同相位時拉伸半周對應高溫半周,由此最大拉伸應力小于最大壓縮應力;而反相位時拉伸半周對應低溫半周,最大拉伸應力大于最大壓縮應力 由圖2a和圖2b可以看出,在IP條件下GH4169的平均應力為壓應力;圖2c表明,在OP條件下平均應力為拉應力 根據實驗結果可以總結出:在熱機械疲勞條件下,平均應力總是指向低溫半周

圖2



圖2不同試驗條件下的穩定滯回曲線

Fig.2Stable hysteresis curves under different test conditions (a) 200~450℃, T=125 s, IP; (b) 400~650℃, strain 0.6%, IP; (c) 400~650℃, T=125 s, OP

圖3給出了不同實驗條件下的滯回曲線 從圖3a可見,材料在0.8%應變幅時出現了平均應力的循環松弛,且在初始階段松弛率較小,在一定循環數后循環松弛明顯 在其他實驗條件下均沒有出現平均應力松弛現象 這表明,平均應力的松弛與塑性應變有關,即控制應變幅達到了產生平均應力松弛的臨界值 從圖3b和3c可見,在同相位條件下,隨著循環數的增加材料的塑性應變范圍增大,抵抗變形的能力變弱 但是圖3d表明,在反相位條件下材料的塑性應變范圍并沒有隨著循環數發生變化,其抵抗變形的能力不變

圖3



圖3不同實驗條件下的滯回曲線

Fig.3Hysteresis curves under different test conditions (a) 200~450℃, 0.8%, T=125 s, IP; (b) 200~450℃, 0.6%, T=125 s, IP; (c) 400~650℃, 0.6%, T=100 s, IP; (d) 400~650℃, 0.6%, T=125 s, OP

2.3 循環應力響應特性

圖4給出了GH4169的熱機械疲勞應力響應曲線 可以看出,熱機械疲勞時的GH4169合金其應力響應特性與等溫疲勞的時不同,在拉伸和壓縮半周應力響應特性并不具有對稱性,拉伸和壓縮半周的響應特性不一致:在同相位條件下,在循環初始階段,材料在拉伸半周出現明顯的軟化,在壓縮半周硬化不顯著,幾乎保持循環穩定 在反相位條件下,材料在拉伸半周趨近于循環穩定 在壓縮半周,材料在循環初始階段出現了輕微的循環軟化,然后趨于循環穩定 由此可得出以下規律:在高溫半周材料出現循環軟化現象,在低溫半周材料趨于循環穩定

圖4



圖4循環應力響應曲線

Fig.4Cyclic stress response curves (a) 400~650℃, IP; (b) 400~650℃, OP

材料在熱機械疲勞條件下應力響應特征與等溫疲勞條件下不同,在低溫半周表現為循環穩定 在等溫疲勞條件下造成循環軟化的原因是γ″相的空間尺寸減小[20~22];而在熱機械疲勞條件下在低溫半周γ″相尺寸的減小也使材料出現循環軟化,與實驗結果不同 產生這種現象的原因是:雖然在高溫半周位錯剪切了γ″相,但是γ″相的強化能力并沒有完全喪失,由此在低溫半周仍可起強化作用;而在高溫半周,材料的溫度繼續升高使位錯發生攀移或交滑移 同時,高溫引起的熱擴散抑制了非熱運動,對γ″相的剪切變弱且加速了位錯的湮沒,因此在高溫半周表現出初始循環軟化 隨著循環數的增加γ″相逐漸穩定,位錯的湮沒和增殖進入平衡狀態,使材料表現為循環穩定

根據本文的實驗條件及實驗結果可以總結出:應變幅值、應變速率、溫度等因素都對材料的應力響應特性有一定影響 對比圖3a和圖3b給出的循環應力響應特性,溫度對材料的應力特性影響較為明顯,在高溫半周材料更容易出現軟化 應變速率也對GH4169的應力響應行為有顯著的影響,在中應變速率時應力響應相對平穩,較高或較低應變速率時有比較強烈的應力響應行為

2.4 疲勞壽命

根據實驗結果,溫度區間、周期、相位以及機械應變幅等因素都影響材料的熱機械疲勞壽命 圖5給出了GH4169的機械應變-壽命關系 可以看出:在200~450℃溫度區間和周期T=125 s條件下,熱機械疲勞壽命隨著機械應變的減小而增大,在低應變區熱機械疲勞壽命對應變的變化較為敏感,在高應變區熱機械疲勞壽命對應變變化不敏感 圖6給出了GH4169的周期-壽命關系,周期是單個循環的時間 在應變幅不變的情況下,周期越長應變速率越低 在400~650℃溫度區間和應變幅為0.6%條件下,熱機械疲勞壽命隨著周期的減小而增大;在低周期區熱機械疲勞壽命對周期變化較為敏感,在高周期區熱機械疲勞壽命對周期變化不敏感

圖5



圖5應變-壽命關系

Fig.5Strain-life relationship

圖6



圖6周期-壽命關系

Fig.6Cycle-life relationship

從表2可以看出,溫度區間和應變幅都對壽命有較大的影響 隨著溫度的升高GH4169的壽命急速下降,因為較高的溫度使晶界弱化,在機械載荷的作用下晶界滑動使晶界空洞和裂紋萌生和壽命降低 在相同的溫度區間GH4169同相位時的疲勞壽命低于反相位時,因為裂紋的擴展出現在拉伸半周,同相位時拉伸半周與高溫半周對應,高溫使大量的晶界滑動,而在壓縮半周中晶界滑動不能恢復 由此,在同相位熱機械疲勞情況下高溫使材料的疲勞損傷加劇

2.5 疲勞斷口的形貌

圖7給出了溫度為400~650℃、機械應變幅為±0.6%和同相位條件下GH4169合金的斷口形貌 從圖7a可見,疲勞裂紋始于試件的表面,可能是表面加工紋路引起的 圖7b給出了裂紋擴展區的局部圖片,可見疲勞輝紋較淺,疲勞特征不明顯 在瞬斷區(圖7c)能觀察到明顯的韌窩,表明試件在疲勞后期是塑性斷裂

圖7



圖7GH4169的斷口形貌(同相位、應變幅±0.6%、400~650℃)

Fig.7Fracture morphology of GH4169 (IP, strain amplitude ±0.6%, 400~650℃), (a) fatigue source; (b) propagation zone; (c) final rupture regions

圖8給出了溫度為400~650℃、機械應變幅為±0.6%和反相位條件下GH4169合金的斷口形貌 在圖8a中,可見裂紋的起裂和擴展留下的放射狀線條 在圖8b的擴展區域,可觀察到明顯的疲勞輝紋 在圖8c的瞬斷區,可見斷口有大量韌窩,表明是塑性斷裂

圖8



圖8GH4169的斷口形貌(反相位、應變幅±0.6%、400~650℃)

Fig.8Fracture morphologies of GH4169 (OP, strain amplitude ±0.6%, 400~650℃) (a) fatigue source; (b) propagation zone; (c) final rupture regions

3 結論

(1) 在熱機械條件下,GH4169合金在不同溫度半周力學性能不同,使其穩定遲滯回線明顯不對稱 在熱機械疲勞條件下,平均應力總是指向低溫半周 材料在較大應變幅(0.8%)條件下出現循環松弛現象

(2) GH4169合金在高溫半周先循環軟化后循環穩定,在低溫半周始終趨于循環穩定 溫度對其應力特性的影響較為明顯,高溫半周更容易出現軟化 應變速率也影響其應力響應特性,在中應變速率時應力響應相對平穩,較高或較低應變速率時應力響應行為比較強烈

(3) 溫度區間、周期、相位、機械應變幅等因素都影響GH4169的壽命,其同相位的疲勞壽命比反相位時低,其中溫度區間和應變幅對壽命的影響最大 隨著機械應變和周期的減小,熱機械疲勞壽命延長

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1

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