航空發(fā)動機(jī)的熱端部件受交變機(jī)械載荷和交變溫度載荷的疊加作用，產(chǎn)生的損傷使其疲勞壽命嚴(yán)重降低[1~9] GH4169是應(yīng)用最廣的熱端部件材料，研究其熱機(jī)械疲勞行為，對設(shè)計(jì)部件的結(jié)構(gòu)和預(yù)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(jī)械疲勞，在R=0(應(yīng)變比)和R=-∞條件下研究了這種材料的熱機(jī)械疲勞壽命和應(yīng)變幅的關(guān)系 Jacobsson等[11]也進(jìn)行了IN718多個(gè)應(yīng)變比的同相位及反相位熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)，研究裂紋擴(kuò)展并分析了疲勞斷口 Johan J等對IN718進(jìn)行熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)，研究了保持時(shí)間對裂紋擴(kuò)展的影響[12, 13] 德國弗賴堡弗勞恩霍夫材料力學(xué)研究院也進(jìn)行了IN718的熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低應(yīng)變速率導(dǎo)致較高的裂紋擴(kuò)展速率 隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新和實(shí)驗(yàn)水平的提高，中國學(xué)者也開始了材料的熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)研究[14~19] 但是，對GH4169合金的研究只限于改進(jìn)制作工藝和討論高溫低周疲勞性能，缺少熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 鑒于此，本文對GH4169合金進(jìn)行不同溫度區(qū)間的機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)，研究相位、溫度、應(yīng)變速率等因素對其熱機(jī)械疲勞特性的影響

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用材料為GH4169合金，化學(xué)成分列于表1 將其鑄造成型后進(jìn)行固溶和時(shí)效處理(熱處理制度A，1050℃固溶15 min，水冷+725℃時(shí)效15 h，空冷) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)機(jī)的情況設(shè)計(jì)疲勞試件，試件滿足《金屬材料疲勞實(shí)驗(yàn)軸向應(yīng)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(xué)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(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)在MTS809疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成，實(shí)驗(yàn)溫度由射頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)控制，使用熱電偶采集，用感應(yīng)線圈加熱，用空氣壓縮機(jī)通過多個(gè)噴嘴進(jìn)行冷卻；用高溫引伸計(jì)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)方法》(GJB6213-2008)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)加載包括溫度和機(jī)械應(yīng)變 在進(jìn)行熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)，溫度處于循環(huán)變化狀態(tài)，溫差的變化產(chǎn)生熱應(yīng)變，因此在熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)前必須補(bǔ)償熱應(yīng)變以得到機(jī)械應(yīng)變，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械加載循環(huán)的實(shí)時(shí)控制，具體方法見GJB 6213-2008 疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)用總應(yīng)變控制的三角波加載，總應(yīng)變?yōu)闊釕?yīng)變與機(jī)械應(yīng)變之和 本文對多個(gè)工況進(jìn)行了應(yīng)變控制的熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)，應(yīng)變比R=-1，循環(huán)周期分別為100、125、200 s；實(shí)驗(yàn)溫度范圍為200~450℃和400~650℃；機(jī)械應(yīng)變幅包括±0.55%(反相位)，±0.6%(同，反)，±0.8%(同)，±0.9%(同) 對于每個(gè)工況進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，取兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值 熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)后，用掃描電鏡(SEM)觀察疲勞斷口

2 結(jié)果和討論2.1 GH4169合金在不同工況下的熱機(jī)械實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)均無明顯δ相析出，晶內(nèi)有較多的孿晶 這種合金處理后析出大量的強(qiáng)化相γ″相和γ'相，γ″相為主要強(qiáng)化相，屬于體心四方結(jié)構(gòu)，γ'相屬于面心立方結(jié)構(gòu) 可將γ″相看作由γ'相的兩個(gè)晶胞組成，中間是反相疇界

表2列出了不同工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 本文為應(yīng)變控制的熱機(jī)械實(shí)驗(yàn)，輸入載荷為機(jī)械應(yīng)變，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可直接得出壽命、塑性應(yīng)變、最大應(yīng)力、最小應(yīng)力及平均應(yīng)力 從表2可見，相位角、溫度范圍(ΔT)、周期(T)、機(jī)械應(yīng)變(12Δεm)對材料的壽命(N,即循環(huán)數(shù))、塑性應(yīng)變(Δεp)、最大峰值應(yīng)力(σmax)、最小峰值應(yīng)力(σmin)、平均應(yīng)力(σm)等均有影響 材料在同相位(In-Phase，IP)時(shí)的壽命低于反相位(Out-of-Phase，OP)時(shí)的壽命 其原因是，在熱機(jī)械疲勞循環(huán)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(chǎn)生的損傷大于拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的損傷；在較高溫度區(qū)間(400~650℃)材料的疲勞壽命大幅度降低；周期越長(即應(yīng)變速率越慢)材料的壽命越短，隨著機(jī)械應(yīng)變幅的增大壽命減短

Table 2

表2

表2不同實(shí)驗(yàn)條件下的熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)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(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特性

與等溫疲勞相比，在熱機(jī)械條件下GH4169穩(wěn)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(shí)拉伸半周對應(yīng)高溫半周，由此最大拉伸應(yīng)力小于最大壓縮應(yīng)力；而反相位時(shí)拉伸半周對應(yīng)低溫半周，最大拉伸應(yīng)力大于最大壓縮應(yīng)力 由圖2a和圖2b可以看出，在IP條件下GH4169的平均應(yīng)力為壓應(yīng)力；圖2c表明，在OP條件下平均應(yīng)力為拉應(yīng)力 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以總結(jié)出：在熱機(jī)械疲勞條件下，平均應(yīng)力總是指向低溫半周

圖2



圖2不同試驗(yàn)條件下的穩(wěn)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(shí)驗(yàn)條件下的滯回曲線 從圖3a可見，材料在0.8%應(yīng)變幅時(shí)出現(xiàn)了平均應(yīng)力的循環(huán)松弛，且在初始階段松弛率較小，在一定循環(huán)數(shù)后循環(huán)松弛明顯 在其他實(shí)驗(yàn)條件下均沒有出現(xiàn)平均應(yīng)力松弛現(xiàn)象 這表明，平均應(yīng)力的松弛與塑性應(yīng)變有關(guān)，即控制應(yīng)變幅達(dá)到了產(chǎn)生平均應(yīng)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(huán)數(shù)的增加材料的塑性應(yīng)變范圍增大，抵抗變形的能力變?nèi)?但是圖3d表明，在反相位條件下材料的塑性應(yīng)變范圍并沒有隨著循環(huán)數(shù)發(fā)生變化，其抵抗變形的能力不變

圖3



圖3不同實(shí)驗(yàn)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(huán)應(yīng)力響應(yīng)特性

圖4給出了GH4169的熱機(jī)械疲勞應(yīng)力響應(yīng)曲線 可以看出，熱機(jī)械疲勞時(shí)的GH4169合金其應(yīng)力響應(yīng)特性與等溫疲勞的時(shí)不同，在拉伸和壓縮半周應(yīng)力響應(yīng)特性并不具有對稱性，拉伸和壓縮半周的響應(yīng)特性不一致：在同相位條件下，在循環(huán)初始階段，材料在拉伸半周出現(xiàn)明顯的軟化，在壓縮半周硬化不顯著，幾乎保持循環(huán)穩(wěn)定 在反相位條件下，材料在拉伸半周趨近于循環(huán)穩(wěn)定 在壓縮半周，材料在循環(huán)初始階段出現(xiàn)了輕微的循環(huán)軟化，然后趨于循環(huán)穩(wěn)定 由此可得出以下規(guī)律：在高溫半周材料出現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象，在低溫半周材料趨于循環(huán)穩(wěn)定

圖4



圖4循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線

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

材料在熱機(jī)械疲勞條件下應(yīng)力響應(yīng)特征與等溫疲勞條件下不同，在低溫半周表現(xiàn)為循環(huán)穩(wěn)定 在等溫疲勞條件下造成循環(huán)軟化的原因是γ″相的空間尺寸減小[20~22]；而在熱機(jī)械疲勞條件下在低溫半周γ″相尺寸的減小也使材料出現(xiàn)循環(huán)軟化，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：雖然在高溫半周位錯(cuò)剪切了γ″相，但是γ″相的強(qiáng)化能力并沒有完全喪失，由此在低溫半周仍可起強(qiáng)化作用；而在高溫半周，材料的溫度繼續(xù)升高使位錯(cuò)發(fā)生攀移或交滑移 同時(shí)，高溫引起的熱擴(kuò)散抑制了非熱運(yùn)動，對γ″相的剪切變?nèi)跚壹铀倭宋诲e(cuò)的湮沒，因此在高溫半周表現(xiàn)出初始循環(huán)軟化 隨著循環(huán)數(shù)的增加γ″相逐漸穩(wěn)定，位錯(cuò)的湮沒和增殖進(jìn)入平衡狀態(tài)，使材料表現(xiàn)為循環(huán)穩(wěn)定

根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以總結(jié)出：應(yīng)變幅值、應(yīng)變速率、溫度等因素都對材料的應(yīng)力響應(yīng)特性有一定影響 對比圖3a和圖3b給出的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特性，溫度對材料的應(yīng)力特性影響較為明顯，在高溫半周材料更容易出現(xiàn)軟化 應(yīng)變速率也對GH4169的應(yīng)力響應(yīng)行為有顯著的影響，在中應(yīng)變速率時(shí)應(yīng)力響應(yīng)相對平穩(wěn)，較高或較低應(yīng)變速率時(shí)有比較強(qiáng)烈的應(yīng)力響應(yīng)行為

2.4 疲勞壽命

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，溫度區(qū)間、周期、相位以及機(jī)械應(yīng)變幅等因素都影響材料的熱機(jī)械疲勞壽命 圖5給出了GH4169的機(jī)械應(yīng)變-壽命關(guān)系 可以看出：在200~450℃溫度區(qū)間和周期T=125 s條件下，熱機(jī)械疲勞壽命隨著機(jī)械應(yīng)變的減小而增大，在低應(yīng)變區(qū)熱機(jī)械疲勞壽命對應(yīng)變的變化較為敏感，在高應(yīng)變區(qū)熱機(jī)械疲勞壽命對應(yīng)變變化不敏感 圖6給出了GH4169的周期-壽命關(guān)系，周期是單個(gè)循環(huán)的時(shí)間 在應(yīng)變幅不變的情況下，周期越長應(yīng)變速率越低 在400~650℃溫度區(qū)間和應(yīng)變幅為0.6%條件下，熱機(jī)械疲勞壽命隨著周期的減小而增大；在低周期區(qū)熱機(jī)械疲勞壽命對周期變化較為敏感，在高周期區(qū)熱機(jī)械疲勞壽命對周期變化不敏感

圖5



圖5應(yīng)變-壽命關(guān)系

Fig.5Strain-life relationship

圖6



圖6周期-壽命關(guān)系

Fig.6Cycle-life relationship

從表2可以看出，溫度區(qū)間和應(yīng)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?yàn)檩^高的溫度使晶界弱化，在機(jī)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(qū)間GH4169同相位時(shí)的疲勞壽命低于反相位時(shí)，因?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展出現(xiàn)在拉伸半周，同相位時(shí)拉伸半周與高溫半周對應(yīng)，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(fù) 由此，在同相位熱機(jī)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(jī)械應(yīng)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(kuò)展區(qū)的局部圖片，可見疲勞輝紋較淺，疲勞特征不明顯 在瞬斷區(qū)(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(yīng)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(jī)械應(yīng)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(kuò)展留下的放射狀線條 在圖8b的擴(kuò)展區(qū)域，可觀察到明顯的疲勞輝紋 在圖8c的瞬斷區(qū)，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(yīng)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(jié)論

(1) 在熱機(jī)械條件下，GH4169合金在不同溫度半周力學(xué)性能不同，使其穩(wěn)定遲滯回線明顯不對稱 在熱機(jī)械疲勞條件下，平均應(yīng)力總是指向低溫半周 材料在較大應(yīng)變幅(0.8%)條件下出現(xiàn)循環(huán)松弛現(xiàn)象

(2) GH4169合金在高溫半周先循環(huán)軟化后循環(huán)穩(wěn)定，在低溫半周始終趨于循環(huán)穩(wěn)定 溫度對其應(yīng)力特性的影響較為明顯，高溫半周更容易出現(xiàn)軟化 應(yīng)變速率也影響其應(yīng)力響應(yīng)特性，在中應(yīng)變速率時(shí)應(yīng)力響應(yīng)相對平穩(wěn)，較高或較低應(yīng)變速率時(shí)應(yīng)力響應(yīng)行為比較強(qiáng)烈

(3) 溫度區(qū)間、周期、相位、機(jī)械應(yīng)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(shí)低，其中溫度區(qū)間和應(yīng)變幅對壽命的影響最大 隨著機(jī)械應(yīng)變和周期的減小，熱機(jī)械疲勞壽命延長

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