謝孝昌， 柴志剛， 李 權(quán)， 湯春峰， 趙振業(yè)

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2.北京航空工程技術(shù)研究中心,北京100076)

直接時(shí)效GH4169合金疲勞斷口分析研究

謝孝昌1， 柴志剛2， 李 權(quán)2， 湯春峰1， 趙振業(yè)1

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2.北京航空工程技術(shù)研究中心,北京100076)

采用掃描電鏡對(duì)直接時(shí)效(DA)GH4169合金在室溫和650℃下的光滑(Kt=1)和缺口(Kt=3、4)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣斷口進(jìn)行了研究。研究表明,DAGH4169合金室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞光滑(Kt=1)試樣斷口在大應(yīng)力狀態(tài)下具有多源疲勞斷裂特征,在低應(yīng)力狀態(tài)下則具有單源疲勞斷裂特征,且疲勞裂紋均起始于表面加工缺陷處。DAGH4169合金室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞缺口(Kt=3,4)試樣均起源于缺口根部的加工缺陷處,在實(shí)驗(yàn)載荷下均呈現(xiàn)多源疲勞斷裂特征。DAGH4169合金650℃旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞光滑(Kt=1)試樣斷口呈單源疲勞斷裂特征,起始于外表面加工缺陷處。DAGH4169合金650℃旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞缺口(Kt=3,4)試樣均起源于缺口根部加工缺陷處,呈多源疲勞斷裂特征。所有觀察試樣隨疲勞載荷的逐漸降低,疲勞源區(qū)逐漸平滑,疲勞擴(kuò)展逐漸充分,瞬斷區(qū)面積逐漸減小,瞬斷區(qū)的偏心距離逐漸增大。

DAGH4169；疲勞斷口；疲勞源；疲勞擴(kuò)展

研究疲勞斷口的形貌,以及對(duì)疲勞斷口進(jìn)行微觀分析是認(rèn)識(shí)疲勞過(guò)程和疲勞失效機(jī)制的重要方法,具有十分重要的工程意義,并得到了廣泛的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì),機(jī)械構(gòu)件中疲勞失效占50% ～90%,航空構(gòu)件中占80%以上,因此,在航空領(lǐng)域?qū)ζ谑嗫诘姆治鲅芯坑葹橹匾暎?,2］。

GH4169合金是一種鎳基變形高溫合金,被廣泛用在渦輪盤(pán)、渦輪軸、壓氣機(jī)葉片等部件上,這些部件往往工作在高溫、高載荷等復(fù)雜環(huán)境下,在這種服役條件和環(huán)境下,材料的疲勞性能往往是直接影響其使用壽命的重要因素［3,4］。

現(xiàn)有研究主要針對(duì)GH4169合金進(jìn)行了單軸和多軸低周疲勞斷口分析研究,王建國(guó)等對(duì)GH4169合金高溫多軸疲勞斷口形貌進(jìn)行研究［5］,結(jié)果表明裂紋萌生于試件缺口根部最外層,起始于材料缺陷、試樣加工刀痕以及材料組織內(nèi)部的脆性顆粒等附近,并呈現(xiàn)萌生裂紋的多源性。Shang等對(duì)GH4169合金在 650℃進(jìn)行了多軸疲勞研究［6～9］,表明GH4169合金的疲勞硬化或軟化取決于疲勞加載方式、加載頻率以及載荷大小。Leo Prakash等研究了GH4169合金在疲勞、蠕變和氧化復(fù)合條件下的裂紋生長(zhǎng)微觀機(jī)制［10～12］。Jeong等研究了GH4169合金在465℃和550℃不同服役時(shí)間下(0～4229h)的疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究等［13～15］。 秦昕等對(duì)GH4169合金的焊接疲勞特性進(jìn)行了研究［16］,結(jié)果表明疲勞裂紋擴(kuò)展速率、初始裂紋尺寸、裂紋容限和溫度對(duì)焊接接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命都有影響。王國(guó)棟進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)GH4169疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展影響的實(shí)驗(yàn)研究［17］,結(jié)果表明GH4169合金中在低周疲勞過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋萌生在試樣的應(yīng)力集中區(qū)域,具體萌生位置可能在加工缺陷或材料缺陷處。GH4169微裂紋的擴(kuò)展形式以穿晶為主,但當(dāng)遭遇橫向晶界時(shí)也可能會(huì)沿晶界穿過(guò)。賈新朝等研究了細(xì)晶化對(duì)GH4169合金疲勞性能的影響［18］,結(jié)果表明細(xì)晶GH4169斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)為細(xì)小韌窩狀,疲勞條帶不明顯。普通GH4169斷裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞條帶,且有明顯解理開(kāi)裂形貌。韓增祥進(jìn)行了溫度對(duì)變形高溫合金熱疲勞性能的影響［19］,結(jié)果表明試驗(yàn)溫度將影響變形高溫合金的熱疲勞斷裂方式。上限溫度較低時(shí)為穿晶斷裂,當(dāng)上限溫度超過(guò)某一溫度后變?yōu)檠鼐嗔选：斡駪训妊芯苛撕穸?、溫度、?yīng)力比等因素對(duì)直接時(shí)效GH4169高溫合金疲勞裂紋擴(kuò)展性能的影響［20,21］,結(jié)果表明厚度對(duì)直接時(shí)效GH4169高溫合金疲勞裂紋擴(kuò)展性能幾乎沒(méi)有影響,應(yīng)力比對(duì)直接時(shí)效GH4169高溫合金疲勞裂紋擴(kuò)展的影響隨著應(yīng)力比的提高逐漸減小,溫度的提高對(duì)直接時(shí)效GH4169的裂紋擴(kuò)展速率有明顯的加速作用,但是隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的增加,其影響逐漸減小,氧化作用是加速其裂紋擴(kuò)展的主要機(jī)理。

本工作研究了直接時(shí)效GH4169合金的650℃和室溫條件下不同應(yīng)力集中敏感系數(shù)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣的疲勞斷口,通過(guò)對(duì)疲勞源、疲勞擴(kuò)展區(qū)和疲勞瞬斷區(qū)的研究,了解直接時(shí)效GH4169合金不同應(yīng)力集中敏感條件下的疲勞失效機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為直接時(shí)效(DA)GH4169合金材料,由優(yōu)質(zhì)GH4169合金在1600t水壓機(jī)上進(jìn)行90mm方料鍛制,并經(jīng)鍛后時(shí)效處理：720℃/8h/以50℃/h爐冷+620℃/8h空冷。實(shí)驗(yàn)用DAGH4169的室溫屈服強(qiáng)度 σ0.2為 1336MPa,抗拉強(qiáng)度 σb為1485MPa,650℃屈服強(qiáng)度σ0.2為1146MPa,抗拉強(qiáng)度σb為1271MPa。實(shí)驗(yàn)用疲勞斷口來(lái)自DAGH4169的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣,包括光滑疲勞試樣(應(yīng)力集中敏感系數(shù)Kt=1)和缺口疲勞試樣(應(yīng)力集中敏感系數(shù)Kt=3、4),缺口疲勞試樣的缺口半徑分別為Kt=3時(shí),R=0.14mm,Kt=4時(shí),R=0.07mm。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞設(shè)備為仟邦1000型疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī),旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力比為R=-1,實(shí)驗(yàn)頻率83Hz,應(yīng)力水平從高到低逐漸加載,在室溫和650℃大氣條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)分別獲得疲勞試樣斷口。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用DMM-330C金相顯微鏡觀察斷口宏觀形貌,采用JSM-6700F掃描電子顯微鏡對(duì)室溫疲勞斷口試樣和650℃疲勞斷口試樣進(jìn)行分析,包括斷口全貌、疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的特征。通過(guò)分析,獲得DAGH4169合金在室溫和650℃下,不同應(yīng)力集中敏感系數(shù)試樣在不同應(yīng)力水平下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 疲勞試樣室溫?cái)嗫诜治?/p>

2.1.1 室溫光滑Kt=1試樣斷口分析

圖1 室溫DAGH4169合金Kt=1疲勞斷口宏觀全貌Fig.1 Macro feature of fatigue fracture surface at room temperature of Kt=1 DAGH4169 specimen (a)σmax=1200MPa,N=3.00×104；(b)σmax=900MPa,N=1.05×105；(c)σmax=580MPa,N=3.75×105

圖2 室溫DAGH4169合金Kt=1疲勞斷口SEM全貌Fig.2 SEM feature of fatigue fracture surface at room temperature of Kt=1 DAGH4169 specimen (a)σmax=1200MPa,N=3.00×104；(b)σmax=900MPa,N=1.05×105；(c)σmax=580MPa,N=3.75×105

室溫DAGH4169合金光滑Kt=1試樣的疲勞斷口選取了應(yīng)力水平分別為1200MPa,900MPa,580MPa的試樣,試樣斷裂時(shí)疲勞循環(huán)周次分別為3.00×104, 1.05×105,3.75×105。試樣斷口形貌如圖1～4所示。

圖3 室溫DAGH4169合金Kt=1疲勞源區(qū)形貌Fig.3 SEM feature of fatigue crack initiation region at room temperature of Kt=1 DAGH4169 specimen (a)σmax=1200MPa,N=3.00×104；(b)σmax=900MPa,N=1.05×105；(c)σmax=580MPa,N=3.75×105

圖4 室溫DAGH4169合金Kt=1疲勞擴(kuò)展區(qū)形貌Fig.4 SEM feature of fatigue crack propagation region at room temperature of Kt=1 DAGH4169 specimen (a)σmax=1200MPa,N=3.00×104；(b)σmax=900MPa,N=1.05×105；(c)σmax=580MPa,N=3.75×105

DAGH4169合金室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt= 1)斷口宏觀及微觀觀察表明,疲勞均起源于樣品表面的加工缺陷處,在大應(yīng)力狀態(tài)下1200MPa樣品斷口具有多源疲勞斷裂特征,900MPa和580MPa樣品則均具有單源疲勞斷裂特征；從疲勞擴(kuò)展區(qū)特征來(lái)看,低應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞條帶較為細(xì)密,大應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞條帶間距較大；從瞬斷區(qū)大小來(lái)看,實(shí)驗(yàn)所選取的應(yīng)力范疇內(nèi),瞬斷區(qū)沒(méi)有顯著差異,這說(shuō)明,對(duì)一定應(yīng)力范疇的光滑試樣而言,疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展對(duì)其斷裂具有決定性的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,疲勞斷裂均起源于表面加工缺陷處,可見(jiàn)疲勞壽命的分散性主要受樣品的表面加工狀態(tài)制約,改善樣品的表面加工狀態(tài),能夠降低疲勞壽命的分散性及提高疲勞壽命。

2.1.2 室溫缺口Kt=3試樣斷口分析

室溫DAGH4169合金缺口Kt=3試樣的疲勞斷口選取了應(yīng)力水平分別為600MPa,400MPa,210MPa的試樣,試樣斷裂時(shí)疲勞循環(huán)周次分別為1.5× 104,9.5×104,2.3×106。試樣斷口形貌如圖5～8所示。

圖5 室溫DAGH4169合金Kt=3疲勞斷口宏觀全貌Fig.5 Macro feature of fatigue fracture surface at room temperature of Kt=3 DAGH4169 specimen (a)σmax=600MPa,N=1.5×104；(b)σmax=400MPa,N=9.5×104；(c)σmax=210MPa,N=2.3×106

圖6 室溫DAGH4169合金Kt=3疲勞斷口SEM全貌Fig.6 SEM feature of fatigue fracture surface at room temperature of Kt=3 DAGH4169 specimen (a)σmax=600MPa,N=1.5×104；(b)σmax=400MPa,N=9.5×104；(c)σmax=210MPa,N=2.3×106

圖7 室溫DAGH4169合金Kt=3疲勞源區(qū)形貌Fig.7 SEM feature of fatigue crack initiation region at room temperature of Kt=3 DAGH4169 specimen (a)σmax=600MPa,N=1.5×104；(b)σmax=400MPa,N=9.5×104；(c)σmax=210MPa,N=2.3×106

圖8 室溫DAGH4169合金Kt=3疲勞擴(kuò)展區(qū)形貌Fig.8 SEM feature of fatigue crack propagation region at room temperature of Kt=3 DAGH4169 specimen (a)σmax=600MPa,N=1.5×104；(b)σmax=400MPa,N=9.5×104；(c)σmax=210MPa,N=2.3×106

DAGH4169合金室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt= 3)斷口宏觀及微觀觀察表明,疲勞均起源于缺口(Kt=3)根部加工缺陷處,呈多源疲勞斷裂特征,瞬斷區(qū)在斷口幾何偏心位置,隨疲勞載荷的降低,源區(qū)的擠壓損傷逐漸加重,瞬斷區(qū)的面積逐漸減小,偏心距逐漸增大；瞬斷區(qū)面積是由疲勞載荷大小決定的,而瞬斷區(qū)位置則由載荷大小和平衡與否共同決定,觀察看到600MPa樣品加載的疲勞載荷最大,斷裂形成的瞬斷區(qū)面積最大,其位置最接近斷口的幾何中心部位,210MPa樣品加載的疲勞載荷最小,斷裂形成的瞬斷區(qū)面積最小,偏心距離最大。觀察斷口,在疲勞擴(kuò)展區(qū)均可見(jiàn)細(xì)密疲勞條帶。

2.1.3 室溫缺口Kt=4試樣斷口分析

室溫DAGH4169合金缺口Kt=4試樣的疲勞斷口選取了應(yīng)力水平分別為400MPa,310MPa,220MPa的試樣,試樣斷裂時(shí)疲勞循環(huán)周次分別為6.5× 104,1.94×105,1.05×106。試樣斷口形貌如圖9～12所示。

圖9 室溫DAGH4169合金Kt=4疲勞斷口宏觀全貌Fig.9 Macro feature of fatigue fracture surface at room temperature of Kt=4 DAGH4169 specimen (a)σmax=400MPa,N=6.5×104；(b)σmax=310MPa,N=1.94×105；(c)σmax=220MPa,N=1.05×106

圖10 室溫DAGH4169合金Kt=4疲勞斷口SEM全貌Fig.10 SEM feature of fatigue fracture surface at room temperature of Kt=4 DAGH4169 specimen (a)σmax=400MPa,N=6.5×104；(b)σmax=310MPa,N=1.94×105；(c)σmax=220MPa,N=1.05×106

圖11 室溫DAGH4169合金Kt=4疲勞源區(qū)形貌Fig.11 SEM feature of fatigue crack initiation region at room temperature of Kt=4 DAGH4169 specimen (a)σmax=400MPa,N=6.5×104；(b)σmax=310MPa,N=1.94×105；(c)σmax=220MPa,N=1.05×106

圖12 室溫DAGH4169合金Kt=4疲勞擴(kuò)展區(qū)條帶形貌Fig.12 SEM feature of fatigue crack propagation region at room temperature of Kt=4 DAGH4169 specimen (a)σmax=400MPa,N=6.5×104；(b)σmax=310MPa,N=1.94×105；(c)σmax=220MPa,N=1.05×106

DAGH4169合金室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt= 4)斷口宏觀及微觀觀察表明,疲勞均起源于缺口(Kt=4)根部加工刀痕處,呈多源疲勞斷裂特征；疲勞載荷較大(400MPa)時(shí)疲勞源區(qū)臺(tái)階寬大、疲勞源數(shù)量較少；疲勞載荷較小(220MPa)時(shí)疲勞源區(qū)臺(tái)階窄小、疲勞源數(shù)量較多；瞬斷區(qū)在斷口幾何偏心位置,隨疲勞載荷的降低,源區(qū)的擠壓損傷逐漸加重,瞬斷區(qū)的面積逐漸減小,瞬斷區(qū)面積是由疲勞載荷大小決定的,400MPa樣品加載的疲勞載荷最大,斷裂形成的瞬斷區(qū)面積最大,210MPa樣品加載的疲勞載荷最小,斷裂形成的瞬斷區(qū)面積最??；而瞬斷區(qū)位置均具有明顯的偏心特征,隨著疲勞載荷的減小,偏心距增大。觀察斷口,在疲勞擴(kuò)展區(qū)均可見(jiàn)細(xì)密疲勞條帶。

2.2 疲勞試樣650℃斷口分析

2.2.1 650℃光滑Kt=1試樣斷口分析

DAGH4169合金650℃光滑Kt=1試樣的疲勞斷口選取了應(yīng)力水平分別為900MPa,800MPa, 710MPa的試樣,試樣斷裂時(shí)疲勞循環(huán)周次分別為1.15×105,1.23×106,4.67×106。試樣斷口形貌如圖13～16所示。

圖13 650℃,DAGH4169合金Kt=1疲勞斷口宏觀全貌Fig.13 Macro feature of fatigue fracture surface of Kt=1 DAGH4169 specimen at 650℃(a)σmax=900MPa,N=1.15×105；(b)σmax=800MPa,N=1.23×106；(c)σmax=710MPa,N=4.67×106

圖14 650℃,DAGH4169合金Kt=1疲勞斷口SEM全貌Fig.14 SEM feature of fatigue fracture surface of Kt=1 DAGH4169 specimen at 650℃(a)σmax=900MPa,N=1.15×105；(b)σmax=800MPa,N=1.23×106；(c)σmax=710MPa,N=4.67×106

圖15 650℃,DAGH4169合金Kt=1疲勞源區(qū)形貌Fig.15 SEM feature of fatigue crack initiation region of Kt=1 DAGH4169 specimen at 650℃(a)σmax=900MPa,N=1.15×105；(b)σmax=800MPa,N=1.23×106；(c)σmax=710MPa,N=4.67×106

DAGH4169合金650℃旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt=1)斷口宏觀及微觀觀察表明,疲勞斷口均由垂直于軸向的平直斷口和斜斷口組成,斷裂均具有單源疲勞斷裂特征,疲勞源位于外表面,一般為加工形成的小尺寸缺陷。試樣斷口表面均有明顯色澤變化,主要表現(xiàn)為疲勞起始部位呈藍(lán)色,心部為紫色,瞬斷區(qū)呈灰黃色。

從瞬斷區(qū)大小來(lái)看,實(shí)驗(yàn)所選取的應(yīng)力范疇內(nèi),瞬斷區(qū)沒(méi)有顯著差異,這說(shuō)明,對(duì)一定應(yīng)力范疇的光滑試樣而言,疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展對(duì)其斷裂具有決定性的影響。從疲勞擴(kuò)展區(qū)特征來(lái)看,周次較高的疲勞斷裂其微觀形貌中條帶更為細(xì)碎,而周次較低的疲勞斷裂條帶連續(xù)性較好,間距較大。

另外,從整體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,疲勞斷裂均起源于表面,且多為表面的加工缺陷,疲勞壽命的分散性正是制約于表面狀態(tài),制約于表面加工質(zhì)量。要提高可靠性,降低分散性,必須從提高表面質(zhì)量,改善表面狀態(tài)入手。

2.2.2 650℃缺口Kt=3試樣斷口分析

DAGH4169合金650℃缺口Kt=3試樣的疲勞斷口選取了應(yīng)力水平分別為640MPa,360MPa, 290MPa的試樣,試樣斷裂時(shí)疲勞循環(huán)周次分別為5.0×103,5.5×104,5.45×106。試樣斷口形貌如圖17～20所示。

圖18 650℃,DAGH4169合金Kt=3疲勞斷口SEM全貌Fig.18 SEM feature of fatigue fracture surface of Kt=3 DAGH4169 specimen at 650℃(a)σmax=640MPa,N=5.0×103；(b)σmax=360MPa,N=5.5×104；(c)σmax=290MPa,N=5.45×106

圖19 650℃,DAGH4169合金Kt=3疲勞源區(qū)形貌Fig.19 SEM feature of fatigue crack initiation region of Kt=3 DAGH4169 specimen at 650℃(a)σmax=640MPa,N=5.0×103；(b)σmax=360MPa,N=5.5×104；(c)σmax=290MPa,N=5.45×106

DAGH4169合金650℃旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt=3)斷口宏觀及微觀觀察表明,疲勞均起源于缺口(Kt=3)根部,源區(qū)有明顯高溫變色現(xiàn)象,從變色區(qū)面積大小和顏色深淺可以判斷疲勞起源的先后, 640MPa樣品疲勞源區(qū)有均勻的變色現(xiàn)象,表明疲勞源在該樣品缺口(Kt=3)根部同時(shí)萌生,其余樣品的疲勞源則首先在偏心瞬斷區(qū)的最大半徑處萌生,其中290MPa樣品因加載的疲勞載荷最小,疲勞擴(kuò)展時(shí)間最長(zhǎng),因此變色區(qū)的面積最大；宏觀和微觀觀察看到瞬斷區(qū)的面積和位置有明顯不同,其中瞬斷區(qū)面積是由疲勞載荷大小決定的,而瞬斷區(qū)位置則由載荷大小和平衡與否共同決定,觀察看到640MPa樣品加載的疲勞載荷最大,斷裂形成的瞬斷區(qū)最大,并且位于斷口的幾何中心部位,290MPa樣品加載的疲勞載荷最小,斷裂形成的瞬斷區(qū)最小,偏心距離最大；斷口觀察看到疲勞載荷最大的640MPa樣品疲勞源區(qū)較粗糙,其余載荷較小的樣品疲勞源區(qū)較平坦、光滑,并且在源區(qū)附近就可以看到疲勞弧線特征；觀察斷口,在疲勞擴(kuò)展區(qū)均可見(jiàn)細(xì)密疲勞條帶。

2.2.3 650℃缺口Kt=4試樣斷口分析

DAGH4169合金650℃缺口Kt=4試樣的疲勞斷口選取了應(yīng)力水平分別為300MPa,270MPa, 250MPa的試樣,試樣斷裂時(shí)疲勞循環(huán)周次分別為4.0×104,1.6×105,2.6×105。試樣斷口形貌如圖21～24所示。

圖21 650℃,DAGH4169合金Kt=4疲勞斷口宏觀全貌Fig.21 Macro feature of fatigue fracture surface of Kt=4 DAGH4169 specimen at 650℃(a)σmax=300MPa,N=4.0×104；(b)σmax=270MPa,N=1.6×105；(c)σmax=250MPa,N=2.6×105

圖22 650℃,DAGH4169合金Kt=4疲勞斷口SEM全貌 (a)300MPa樣品；(b)270MPa樣品；(c)250MPa樣品Fig.22 SEM feature of fatigue fracture surface of Kt=4 DAGH4169 specimen at 650℃(a)σmax=300MPa,N=4.0×104；(b)σmax=270MPa,N=1.6×105；(c)σmax=250MPa,N=2.6×105

圖23 650℃,DAGH4169合金Kt=4疲勞源區(qū)形貌 (a)300MPa樣品；(b)270MPa樣品；(c)250MPa樣品Fig.23 SEM feature of fatigue crack initiation region of Kt=4 DAGH4169 specimen at 650℃(a)σmax=300MPa,N=4.0×104；(b)σmax=270MPa,N=1.6×105；(c)σmax=250MPa,N=2.6×105

圖24 650℃,DAGH4169合金Kt=4疲勞擴(kuò)展區(qū)形貌Fig.24 SEM feature of fatigue crack propagation region of Kt=4 DAGH4169 specimen at 650℃(a)σmax=300MPa,N=4.0×104；(b)σmax=270MPa,N=1.6×105；(c)σmax=250MPa,N=2.6×105

DAGH4169合金650℃旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt=4)斷口觀察表明,疲勞均起源于樣品表面的加工刀痕處,呈多源疲勞斷裂特征；疲勞載荷較大(300MPa)時(shí)疲勞源區(qū)臺(tái)階寬大,疲勞源數(shù)量較少,瞬斷區(qū)面積較大,偏心距較??；疲勞載荷較小(250MPa)時(shí)疲勞源區(qū)臺(tái)階窄小,疲勞源數(shù)量較多,瞬斷區(qū)面積較小,偏心距較大；觀察疲勞擴(kuò)展區(qū),均可見(jiàn)細(xì)密疲勞條帶特征。

另外,高溫下做疲勞實(shí)驗(yàn)得到的斷口表面均有不同程度的氧化現(xiàn)象,特別是疲勞載荷較小時(shí),因疲勞實(shí)驗(yàn)的時(shí)間較長(zhǎng),疲勞源區(qū)的氧化損傷較嚴(yán)重。對(duì)比同一Kt值的試樣斷口可知,疲勞源區(qū)的氧化最嚴(yán)重,單源起始時(shí)斷口氧化呈輻射狀,單源區(qū)周邊氧化嚴(yán)重,多源起始時(shí)試樣斷口整個(gè)邊部氧化嚴(yán)重,擴(kuò)展區(qū)氧化逐漸減弱,到瞬斷區(qū)時(shí)氧化最弱。隨著Kt值的增大,試樣缺口變得尖銳,此時(shí),疲勞斷口的氧化加劇,Kt=4的試樣斷口氧化程度明顯高于Kt=3的試樣斷口。

3 結(jié)論

(1)DAGH4169合金室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt=1)疲勞斷裂在大應(yīng)力狀態(tài)下具有多源疲勞斷裂特征,在低應(yīng)力狀態(tài)下則具有單源疲勞斷裂特征。但不論多源還是單源疲勞斷裂,疲勞裂紋均起始于表面加工缺陷處。

(2)DAGH4169合金室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt=3,4)疲勞裂紋起源于缺口根部的加工缺陷處,呈現(xiàn)多源特征,在高載荷下疲勞源數(shù)量較少,低載荷下疲勞源數(shù)量較多,隨疲勞載荷的逐漸降低,瞬斷區(qū)面積逐漸減小,瞬斷區(qū)的偏心距離逐漸增大,疲勞擴(kuò)展區(qū)面積逐漸增大,疲勞源區(qū)的擠壓損傷逐漸加重,疲勞源區(qū)的臺(tái)階逐漸細(xì)小。

(3)DAGH4169合金650℃旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt=1)疲勞斷裂均具有單源疲勞斷裂特征,疲勞裂紋起始于表面加工缺陷處。

(4)DAGH4169合金650℃旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt=3,4)疲勞斷裂均起源于缺口根部加工缺陷處,呈多源疲勞斷裂特征,隨疲勞載荷的逐漸降低,疲勞源區(qū)逐漸平滑,可見(jiàn)疲勞弧線,疲勞擴(kuò)展逐漸充分,瞬斷區(qū)面積逐漸減小,瞬斷區(qū)的偏心距離逐漸增大。

(5)DAGH4169合金650℃旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt=1,3,4)疲勞斷口均有明顯氧化現(xiàn)象,疲勞裂紋源區(qū)氧化最嚴(yán)重,擴(kuò)展區(qū)逐漸變色,瞬斷區(qū)由于氧化時(shí)間短,氧化較弱。隨著疲勞加載周次的增加,應(yīng)力集中敏感系數(shù)的增大,氧化程度加劇。

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Fracture Performance of Direct Aging GH4169 Superalloy

XIE Xiao-chang1, CHAIZhi-gang2, LIQuan2, TANG Chun-feng1, ZHAO Zhen-ye1
(1.Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China；2.Beijing Aeronautical Engineering Technology Research Center,Beijing 100076,China)

The fatigue fracture surface of DAGH4169 superalloy smooth specimen(Kt=1)and notch specimen(Kt=3,4)after rotating bending fatigue test carried out at room temperature and 650℃xere investigated by Scanning Electron Microscope(SEM).The results indicate that the fatigue fracture surface of DAGH4169 superalloy smooth specimen(Kt=1)at room temperature has multiple crack initiation feature under high fatigue load,xhile single crack initiation feature under lox fatigue load.And the fatigue cracks initiate at the machining defects of the surface.Multiple cracks initiated at the machining defects of the notch foot under different level fatigue load is observed for the DAGH4169 superalloy notch specimen(Kt=3,4)at room temperature.Single crack initiated atmachining defects of the surface is observed from the fatigue fracture surface of DAGH4169 superalloy smooth specimen(Kt=1)at 650℃. And DAGH4169 superalloy notch specimen(Kt=3,4)shoxsmultiple crack initiation feature,the fatigue cracks initiate at themachining defects of the notch foot.For all the observed specimens,as fatigue load decreases,crack initiation region becomes smooth,the area of fatigue failure region becomes smaller,the distance betxeen fatigue failure region and centre of fracture is bigger.

DAGH4169；fracture surface；fatigue initiation；fatigue crack propagation

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.5.008

TG146.1+5

A

1005-5053(2015)05-0046-11

2015-06-09；

2015-08-10

973項(xiàng)目(61385)

謝孝昌(1984—),男,碩士,工程師,主要從事金屬材料熱處理工藝及組織與性能研究,(E-mail)xxc127@ 163.com。