暢一鵬，張宏建，盧孔漢，溫衛(wèi)東，崔海濤

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

IC10合金是我國研制的新一代Ni3Al基定向凝固高溫合金，具有密度低，比強度高，熔點高，抗高溫氧化性好的特點。目前已被應(yīng)用到航空發(fā)動機上的渦輪導(dǎo)向葉片和其他高溫結(jié)構(gòu)件[1]。由于高溫低周疲勞是熱端部件在惡劣工作環(huán)境中主要的承載形式之一，熱端部件在長時間的高溫環(huán)境服役時，疲勞損傷引起的失效問題占零部件總失效問題的六成左右[2]。因此，開展IC10在高溫環(huán)境下疲勞行為研究有助于完善材料結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計分析以及提高材料的工程應(yīng)用價值。

鎳基高溫合金在進行高溫低周疲勞試驗時，由于溫度、循環(huán)載荷以及其他環(huán)境因素的作用，材料往往表現(xiàn)出異于常溫狀態(tài)下的力學(xué)行為[3]。近些年來國內(nèi)許多學(xué)者對高溫合金的疲勞行為以及本構(gòu)關(guān)系開展了大量研究，張仕朝[4]在進行GH3030合金循環(huán)實驗中發(fā)現(xiàn)，不同的應(yīng)變比下循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生一定程度上的平移，但是曲線形狀不會改變。安金嵐[5]研究發(fā)現(xiàn)GH4169合金在高溫低周疲勞試驗中發(fā)生循環(huán)軟化現(xiàn)象。肖磊[6]等發(fā)現(xiàn)，高溫合金WZ4在980 ℃下均表現(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定特征，其中循環(huán)軟化與循環(huán)硬化二者達到了動態(tài)均衡效果。

本文開展了IC10合金在600 ℃下應(yīng)變水平為0.75%、0.85%以及1.00%的拉-壓循環(huán)試驗研究，并對其斷口進行了微觀觀測分析，判斷其失效機理。

1 試驗方案設(shè)計

本文研究對象為IC10合金，屬于定向凝固高溫合金，該類合金的相主要是分為基體相γ相和強化相γ′相，此外還有葵花狀的共晶相γ+γ′，骨架狀的碳化物MC(1)和在共晶附近塊狀的MC(2)。IC10合金的質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

表1 IC10合金質(zhì)量分數(shù) 單位：%

試樣設(shè)計參照《金屬材料高溫拉伸試驗方法GB/T4338-2006》和《金屬材料疲勞試驗軸向應(yīng)變控制方法》，并結(jié)合疲勞試驗機MTS-370，試樣總長為102mm，標距段長為14mm，標距段直徑為5.5mm，試樣夾持端和夾具采用螺紋連接。具體尺寸及形位公差如圖1所示。

IC10合金600℃的恒溫疲勞試驗的熱環(huán)境通過高溫環(huán)境箱實現(xiàn)。在加熱到指定溫度后保溫30min，使試樣溫度均勻分布以防止疲勞試驗過程中產(chǎn)生較大的熱梯度。

圖1 試驗件設(shè)計圖

2 疲勞循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線

IC10合金600℃恒溫低周疲勞試驗，采用軸向應(yīng)變控制，加載應(yīng)變速率為6.0×10-3s-1，應(yīng)變比R=-1，加載波形為三角波，應(yīng)變水平分別為Δεt/2等于0.75%、0.85%和1.00%，試驗終止條件為試樣斷裂或最大應(yīng)力下降30%。試驗結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 IC10合金600℃下的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2中可知：LCF(低周疲勞)試驗單個循環(huán)內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變保持著良好單調(diào)變化關(guān)系，應(yīng)力值始終隨著應(yīng)變加載而增大，隨著應(yīng)變卸載而減小。隨著應(yīng)變水平的增加，材料循環(huán)的遲滯特征愈發(fā)明顯，隨著循環(huán)周次的增加，材料的應(yīng)力逐漸增大，表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化特征，并且循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出拉-壓不對稱。

由圖3可知：在3種載荷水平下，IC10合金循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征基本相同，均表現(xiàn)為初始循環(huán)硬化，隨后保持循環(huán)穩(wěn)定并在最終斷裂前出現(xiàn)應(yīng)力突降。造成這種破壞的主要原因是：IC10合金的微觀結(jié)構(gòu)中除了γ′相外還存在相當(dāng)數(shù)量的γ相。材料在承受低周疲勞載荷作用時，位錯在γ相上大量出現(xiàn)，隨著變形的不斷重復(fù)，在胞壁上位錯的增值以及位錯與強化相之間的交互作用對位錯運動產(chǎn)生阻礙，應(yīng)力也隨之逐步增大，增大了材料的變形抗性，在宏觀上表現(xiàn)為所需外加載荷隨循環(huán)數(shù)增加而增大。于慧臣[7]指出鎳基定向凝固合金在760℃以下表現(xiàn)為宏觀硬化主要與基體相中的位錯纏結(jié)有關(guān)，楊功顯[8]等則認為，鎳基合金在不同溫度下的循環(huán)硬化現(xiàn)象主要與位錯切割機制相關(guān)。

圖3 IC10合金600 ℃下的峰谷值應(yīng)力曲線

3 斷裂特性分析

圖4為各個應(yīng)變水平下試樣的宏觀斷口示意圖，對其進行目測分析，可以得到：在0.75%應(yīng)變水平下，斷口表面較為光滑且平整，有金屬光澤，呈現(xiàn)為V型試樣斷口;而在0.85%、1.00%應(yīng)變水平下，斷口表面不平整且粗糙，呈現(xiàn)為斜斷口，并帶有不同程度的花紋狀，這表明疲勞應(yīng)力越大，單次造成的破壞越大，表面越粗糙。

圖4 不同應(yīng)變水平下的宏觀斷口圖

為進一步研究IC10疲勞的斷裂機理，本文對各個應(yīng)變水平下試件斷口進行SEM觀測，圖5為樣品的斷口形貌圖。

圖5(a)-圖5(c)為應(yīng)變水平為0.75%的不同放大倍數(shù)的斷口形貌圖，其中低、中倍下可以明顯觀察到斷口存在大量滑移線，主要為拉壓循環(huán)中斷面之間相互摩擦導(dǎo)致；同時也可以明顯觀測到斷面分布較多的裂紋與空洞的微觀形貌。放大倍數(shù)則可以明顯看到在微孔旁邊產(chǎn)生大量的裂紋，這表明合金在未形成裂紋前隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不斷產(chǎn)生滑移，當(dāng)循環(huán)到一定程度時由于滑移擠壓導(dǎo)致心部產(chǎn)生了裂紋和微孔從而斷裂。

圖5(d)-圖5(i)為應(yīng)變水平為0.85%及1.00%的斷口形貌圖，其中在低倍下存在大量的臺階形貌，并且臺階的高度差較大，同時伴隨著部分舌狀花樣；在中、高倍下可以看到裂紋沿晶粒內(nèi)部穿過，為明顯的穿晶斷裂，斷口存在部分韌窩，隨著應(yīng)變水平的增加，韌窩數(shù)量增加，較為緊密。這表明斷裂主要以穿晶斷裂為主，同時伴隨著少量的韌窩聚集型斷裂。

以上分析表明：IC10合金在低應(yīng)變水平循環(huán)實驗時，主要以疲勞斷裂為主，在周期性載荷下發(fā)生局部滑移現(xiàn)象，并且滑移面取向呈現(xiàn)45°夾角，晶粒斷面沿平面延伸，同時由于內(nèi)部擠壓產(chǎn)生顯微空穴以及裂紋，并且裂紋逐漸擴展直至斷裂。隨著應(yīng)變水平的提高，材料的滑移水平不斷提升，晶粒內(nèi)部位錯急劇增加，導(dǎo)致晶粒強度下降，裂紋從晶粒內(nèi)部萌生，從而導(dǎo)致穿晶斷裂，同時在基體與晶粒之間大量的位錯塞積、聚合產(chǎn)生如圖5(f)和圖5(h)中明顯可見的微孔洞，隨著循環(huán)的增加，孔洞逐漸生長聚集造成部分韌窩的產(chǎn)生。因此IC10合金主要表現(xiàn)為宏觀上延性穿晶斷裂，微觀上，在低應(yīng)變水平下主要以滑移條帶為主，隨著應(yīng)變水平的增加，逐漸表現(xiàn)為微孔聚合型斷裂。

圖5 斷口微觀形貌圖

4 結(jié)語

本文針對IC10合金開展了600℃高溫環(huán)境下的低周疲勞試驗研究，分析了材料的力學(xué)行為與斷裂機制，

1) IC10高溫合金在單個載荷內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變保持單調(diào)變化關(guān)系，循環(huán)響應(yīng)遲滯回線關(guān)于原點不對稱。在整體壽命周期內(nèi)，循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征主要表現(xiàn)為初始循環(huán)硬化后進入循環(huán)穩(wěn)定階段，并在最終斷裂前出現(xiàn)應(yīng)力下降情況。IC10合金在承受低周疲勞載荷作用時，大量位錯集中于基體γ相，隨著循環(huán)的進行，胞壁位錯密度增大，在宏觀上表現(xiàn)為所需的外載荷隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大。

2) IC10合金呈現(xiàn)出多種疲勞裂紋特征。在低應(yīng)變水平下，材料斷口表面光滑平整，且具有大量的滑移線；而在高應(yīng)變水平下，材料表面粗糙且凹凸，微觀上存在韌窩以及二次裂紋等，這主要與晶粒內(nèi)部位錯的增加以及晶界處微孔的產(chǎn)生有關(guān)。