張仕朝，于慧臣

(北京航空材料研究院，北京100095)

0 引言

高溫合金已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件，比如，單晶高溫合金已成為發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主要用材［1-2］。在實(shí)際服役條件下，高溫部件由于長期承受高溫及交變載荷的作用，在構(gòu)件內(nèi)部形成熱應(yīng)力，同時(shí)受其他相關(guān)構(gòu)件的尺寸限制而導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)變控制的低周疲勞損傷;因此，高溫應(yīng)變疲勞所造成的損傷成為影響此類構(gòu)件使用壽命的一個(gè)不容忽視的因素［3］。研究結(jié)果表明:溫度、應(yīng)變速率、載荷保持時(shí)間和波形等試驗(yàn)參數(shù)是影響高溫低周疲勞性能的主要因素［4-7］。高溫合金在循環(huán)變形過程中，可能會出現(xiàn)循環(huán)硬化或循環(huán)軟化，甚至還可能表現(xiàn)出初期硬化隨后軟化或反之［8-9］，其循環(huán)特性主要取決于其本身的組織結(jié)構(gòu)，高溫合金在低周疲勞下的斷裂行為的分析表明，疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展方式與蠕變與環(huán)境的作用以及循環(huán)變形機(jī)制有關(guān)［10-11］。

GH3044合金為固溶強(qiáng)化鎳基抗氧化合金，在900℃以下具有較高的塑性和中等的熱強(qiáng)性，并具有優(yōu)良的抗氧化性能，適宜制造900℃以下長期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室和加力燃燒室零部件［12］。

通過對GH3044合金在應(yīng)變控制模式下的室溫、600℃下的疲勞性能進(jìn)行測試，對其循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變響應(yīng)行為、應(yīng)變－壽命關(guān)系等進(jìn)行研究，總結(jié)該合金在應(yīng)變控制的疲勞變形的一般規(guī)律，以期為提高該合金疲勞設(shè)計(jì)和定壽、延壽工作提供可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用GH3044合金材料的密度為8.89×103kg/m3，其化學(xué)成分見表1。

表1 GH3044合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Chemical composition of superalloy GH3044(mass fraction/%)

2 試驗(yàn)方法

疲勞試驗(yàn)采用的試樣尺寸如圖1所示。低周疲勞試驗(yàn)是在島津EHF－EA10電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)采用軸向全應(yīng)變控制，引伸計(jì)的標(biāo)距為12 mm，引伸計(jì)通過石英刀口與試樣表面接觸測試標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變。加載波形為三角波，應(yīng)變比(最小應(yīng)變與最大應(yīng)變之比)為－1，實(shí)驗(yàn)頻率為0.1～1 Hz，試驗(yàn)溫度為室溫和600℃，高溫是通過爐內(nèi)電阻絲輻射加熱試樣，由分布于標(biāo)距附近的熱電偶控制溫度的波動(dòng)，溫度波動(dòng)控制在±2℃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集由計(jì)算機(jī)完成，各個(gè)試驗(yàn)均進(jìn)行至試樣斷裂為至。試驗(yàn)參照GB/T 15248—1994《金屬材料軸向等幅低循環(huán)試驗(yàn)方法》［13］中的規(guī)定執(zhí)行。

圖1 低周疲勞試樣Fig.1 Low cycle fatigue test specimen

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為

在低周疲勞測試中，對每一給定的總應(yīng)變幅都記錄下應(yīng)力值隨循環(huán)周次的變化情況。應(yīng)力值隨循環(huán)周次的變化(即材料的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線)宏觀反映了合金在不同溫度下及其他試驗(yàn)條件下的應(yīng)變硬化/軟化行為，是材料微觀組織變化的宏觀體現(xiàn)。圖2和圖3為分別為GH3044合金室溫和600℃下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線。由圖2可見，在不同的外加總應(yīng)變幅下，GH3044合金室溫均表現(xiàn)為初始循環(huán)硬化現(xiàn)象，這是由于在疲勞循環(huán)變形過程中，位錯(cuò)間以及位錯(cuò)與析出相間的交互作用均會對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻礙作用，使位錯(cuò)塞積，這就必須增大外加載荷才能維持應(yīng)變恒定，從而導(dǎo)致循環(huán)應(yīng)力增加即發(fā)生循環(huán)應(yīng)變硬化［14］;隨著循環(huán)變形的進(jìn)行，合金的應(yīng)力幅值隨循環(huán)次數(shù)的增加而下降，這可能由于在循環(huán)的后期，材料出現(xiàn)疲勞損傷而導(dǎo)致應(yīng)力下降。由圖3可以看出，該材料在600℃時(shí)不同應(yīng)變幅下，均表現(xiàn)出循環(huán)硬化的現(xiàn)象，圖中還出現(xiàn)應(yīng)力突然下降的階段，這種突然下降是由于經(jīng)過多次的循環(huán)變形，材料出現(xiàn)疲勞損傷而進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段。

圖2 GH3044合金室溫的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線Fig.2 Cyclic stress response curves for different strain amplitudes at room temperature

3.2 循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變行為

材料的循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變性能是低周疲勞的一個(gè)重要方面，反映了材料在低周疲勞下的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變特性。圖4所示為GH3044合金在室溫、600℃下的循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)均由半壽命時(shí)的循環(huán)滯后回線求得。從圖中可看出溫度對循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的影響，在同一應(yīng)變幅下，室溫下的應(yīng)力幅明顯高于600℃的值，圖中實(shí)線是通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的近似曲線，可用式(1)來表示［15］:

圖3 GH3044合金600℃的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線Fig.3 Cyclic stress response curves for different strainamplitudes at 600℃

式中:Δσt/2為循環(huán)應(yīng)力幅，Δεt/2為循環(huán)塑性應(yīng)變幅，n'為循環(huán)硬化指數(shù)，K'為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)。對材料應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定出K'和n'。相應(yīng)的分析結(jié)果見表2。

圖4 GH3044合金室溫和600℃的循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.4 Cyclic stress-strain curves of GH3044 alloy at room temperature and 600℃

3.3 應(yīng)變壽命曲線

對于由應(yīng)變控制的低周疲勞實(shí)驗(yàn)，材料的應(yīng)變壽命通常采用Manson-Coffin公式［16］表示，即

式中:右邊第一項(xiàng)為彈性部分，第二項(xiàng)為塑性部分，其中，σ'f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，ε'f為疲勞延性系數(shù)，2Nf為斷裂時(shí)加載反向數(shù)，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，c為疲勞延性指數(shù)，E取動(dòng)態(tài)時(shí)彈性模量［17］。

圖5和圖6分別為GH3044合金總應(yīng)變幅、塑性應(yīng)變幅和彈性應(yīng)變幅與載荷反向周次之間的關(guān)系曲線，其中，塑性應(yīng)變幅和彈性應(yīng)變幅均由半壽命時(shí)的循環(huán)滯后回線求得。據(jù)此，在雙對數(shù)坐標(biāo)下，用線性回歸分析的方法即可對GH3044合金不同溫度下的應(yīng)變－疲勞壽命進(jìn)行分析，進(jìn)而確定出GH3044合金不同溫度下的應(yīng)變疲勞參數(shù)的具體數(shù)值。相應(yīng)的結(jié)果見表2。

圖5 GH3044合金室溫的低循環(huán)疲勞曲線Fig.5 Low cycle fatigue curves of GH3044 alloy at room temperature

圖6 GH3044合金600℃的低循環(huán)疲勞曲線Fig.6 Low cycle fatigue curves of GH3044 alloy at 600 ℃

圖7給出了M－C模型預(yù)測結(jié)果比較，由圖可以看出，M－C模型預(yù)測的精度較高，數(shù)據(jù)均在±2倍分散帶范圍內(nèi)。

3.4 溫度的影響

圖8為GH3044合金的循環(huán)應(yīng)力行為即疲勞循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力峰谷值的關(guān)系。由圖8可以看出，高應(yīng)變下的疲勞應(yīng)力峰谷值比低應(yīng)變大，在600℃時(shí)，在疲勞最后階段即疲勞裂紋快速擴(kuò)展階段應(yīng)力峰值很快下降，材料最終斷裂失效。在相同應(yīng)變條件下，疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展區(qū)的疲勞應(yīng)力峰谷值隨溫度的升高而降低。這是因?yàn)榈椭芷趹?yīng)變屬于局部應(yīng)變范圍，其變形只在裂紋尖端一小區(qū)域內(nèi)發(fā)生，當(dāng)溫度升高時(shí)材料本身衡量裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨之降低，并且由于高溫氧化的作用導(dǎo)致了在高溫下只需要較小的應(yīng)力疲勞裂紋便可以生長。當(dāng)試驗(yàn)溫度不同時(shí)，在較高應(yīng)變條件下，應(yīng)力峰谷值相差小于低應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力峰谷值相差，這是因?yàn)楦邞?yīng)變下裂紋暴露在空氣中的時(shí)間相對較短，氧化作用不如低應(yīng)變時(shí)的明顯。金屬的強(qiáng)度一般隨溫度的升高而下降，在高溫疲勞中，氧化起著關(guān)鍵的作用，疲勞過程中形成的保護(hù)性氧化膜會由于循環(huán)載荷造成反向滑移而發(fā)生破壞，引起裂紋從氧化裂紋處萌生并向基體內(nèi)生長，裂紋的擴(kuò)展速度也會由于高溫環(huán)境的氧化作用而加大［18］。

表2 GH3044合金不同溫度下的低周疲勞參數(shù)Table 2 Low cycle fatigue parameters for GH3044 superalloy at different temperatures

圖7 Manson-Coffin模型壽命預(yù)測結(jié)果Fig.7 Life prediction result by Manson-Coffin model

圖8 GH3044合金不同應(yīng)變時(shí)應(yīng)力與疲勞次數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between stress and number of fatigue cycles under different strains for GH3044 superalloy

圖9為GH3044合金不同溫度下的低周疲勞性能，由圖可以看出，材料的低周疲勞壽命不僅取決于外加應(yīng)變范圍的大小，而且與溫度密切相關(guān)，總體來說，外加應(yīng)變范圍越大，疲勞壽命越低。在同一應(yīng)變幅下，溫度越高，相應(yīng)的疲勞壽命越低。

圖9 不同溫度下的應(yīng)變壽命－曲線Fig.9 Low cycle fatigue at different temperatures

4 結(jié)論

1)GH3044合金室溫和600℃下循環(huán)初期均表現(xiàn)為循環(huán)應(yīng)變硬化的特征;

2)GH3044合金的應(yīng)變疲勞壽命與塑性應(yīng)變幅、彈性應(yīng)變幅間的關(guān)系分別服從Manson-Coffin關(guān)系式，預(yù)測精度在±2倍分散帶以內(nèi);

3)溫度對GH3044合金的低周疲勞性能有很大的影響，在相同的應(yīng)變幅下，隨溫度的升高，低周疲勞壽命縮短。

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