應(yīng)變比對(duì)定向凝固高溫合金DZ125低循環(huán)疲勞行為影響的研究

劉金龍,石多奇,楊曉光,包 宇,王井科

(北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,北京100191)

應(yīng)變比對(duì)定向凝固高溫合金DZ125低循環(huán)疲勞行為影響的研究

劉金龍,石多奇,楊曉光,包 宇,王井科

(北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,北京100191)

對(duì)定向凝固鎳基高溫合金DZ125在850℃和980℃應(yīng)變控制的低循環(huán)疲勞(LCF)行為進(jìn)行研究。對(duì)比分析應(yīng)變比R=-1和R=0情況下的應(yīng)力2應(yīng)變遲滯環(huán)、循環(huán)平均應(yīng)力以及斷裂循環(huán)次數(shù)(壽命)的差異。結(jié)果表明:在所研究的兩個(gè)溫度水平下,相同應(yīng)變范圍條件下應(yīng)變比R=-1和R=0的低循環(huán)疲勞壽命差別不大。利用掃描電子顯微鏡對(duì)不同應(yīng)變比作用的試樣斷口進(jìn)行觀測(cè),初步分析裂紋萌生機(jī)理。

高溫合金;定向凝固;低循環(huán)疲勞;應(yīng)變比

鎳基定向結(jié)晶高溫合金DZ125是我國(guó)目前綜合性能比較優(yōu)秀的渦輪葉片材料之一,是國(guó)產(chǎn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的主要服役材料。在過(guò)去的20多年里,針對(duì)該合金力學(xué)性能及其表征技術(shù),國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量的研究工作[1],主要集中在蠕變[2]、低循環(huán)疲勞[3]、熱2機(jī)械疲勞[3-6]、帶孔板疲勞蠕變交互作用[7,8]、本構(gòu)關(guān)系與壽命預(yù)測(cè)技術(shù)[9,10]等方面。但是,關(guān)于軸向加載的對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)疲勞載荷作用下的力學(xué)性能差異,僅見(jiàn)于材料手冊(cè)給出的一些零散數(shù)據(jù)[11],尚不是很系統(tǒng)。

本工作開(kāi)展了DZ125合金縱向取樣試件在應(yīng)變比R=-1和R=0條件下低循環(huán)疲勞(Low Cycle Fatigue,LCF)實(shí)驗(yàn),研究應(yīng)變疲勞條件下對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)循環(huán)加載對(duì)合金疲勞行為的影響,包括應(yīng)力2應(yīng)變遲滯曲線(xiàn)、循環(huán)平均應(yīng)力演化規(guī)律、壽命特征以及微觀失效模式和裂紋萌生機(jī)理,有助于更加全面和深入地把握DZ125合金的高溫低循環(huán)疲勞行為,為建立理論模型提供物理基礎(chǔ)。

1 試樣制備及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣的制備

定向凝固鎳基高溫合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%):C 0.07～0.12,Cr 8.4～9.4,Co 9.5～10.5, W 6.5～7.5,Mo 1.5～2.5,A l 4.8～5.4,Ti 0.7～112,Ta 3.5～4.1,B 0.01～0.02,Hf 1.2～1.8,余量為Ni。實(shí)驗(yàn)?zāi)负辖鸩捎谜婵崭袘?yīng)爐熔煉,澆鑄成直徑為20mm的圓形試棒,再經(jīng)機(jī)械加工成實(shí)驗(yàn)用試樣,試樣的工作截面直徑為10mm,標(biāo)距長(zhǎng)度為25mm,并且要求晶粒的生長(zhǎng)方向?yàn)樵嚇拥妮S向。實(shí)驗(yàn)前沿試樣的軸向方向用粒度為2000的SiC砂紙細(xì)磨,以排除試樣表面加工缺陷的干擾。

1.2 低循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)方案

為增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信性,高溫低循環(huán)疲勞試驗(yàn)分別在shimadzu(島津)實(shí)驗(yàn)機(jī)和M TS實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)溫度為850℃和980℃,實(shí)驗(yàn)環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)空氣介質(zhì),實(shí)驗(yàn)采用軸向應(yīng)力控制的拉伸2卸載方式,實(shí)驗(yàn)載荷采用應(yīng)變控制,850℃時(shí)總應(yīng)變范圍Δεt在1.0%～1.6%之間,980℃時(shí)總應(yīng)變范圍Δεt在016%～1.6%之間,加載波形為三角波,試件為縱向取樣,控制應(yīng)變速率為0.005s-1,失效判據(jù)為試件斷裂,實(shí)驗(yàn)載荷如圖1所示。重點(diǎn)對(duì)比應(yīng)變比R=-1和應(yīng)變比R=0的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 實(shí)驗(yàn)載荷譜 (a)R=-1;(b)R=0Fig.1 Load waveform (a)R=-1;(b)R=0

1.3 微觀觀察

用FEIQUAN TA 400掃描電子顯微鏡對(duì)試樣斷口以及剖面進(jìn)行觀察與分析,以確定裂紋的萌生和擴(kuò)展模式,從微觀角度分析應(yīng)變比對(duì)DZ125合金低循環(huán)疲勞行為影響的機(jī)制。

2 結(jié)果與分析

2.1 循環(huán)應(yīng)力2應(yīng)變分析

對(duì)溫度為850℃和980℃,應(yīng)變?yōu)?.6%條件下對(duì)稱(chēng)(R=-1)和非對(duì)稱(chēng)(R=0)的遲滯回線(xiàn)進(jìn)行兩個(gè)方面的對(duì)比分析。一是看遲滯環(huán)的形狀,二是看遲滯環(huán)包圍的面積。圖2為850,980℃的R=-1和R=0的應(yīng)力2應(yīng)變曲線(xiàn)。對(duì)比發(fā)現(xiàn),對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)遲滯環(huán)的形狀比較接近,包圍的面積也很接近,這樣從能量的觀點(diǎn)來(lái)看,每個(gè)循環(huán)所需要的能量是接近的。

2.2 平均應(yīng)力分析

圖2 850℃(a)和980℃(b)的R=-1和R=0的應(yīng)力2應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 The stress2strain curves of R=-1 and R=0 at 850℃(a)and 980℃(b)

選取溫度為850℃,應(yīng)變范圍為1.6%條件下的對(duì)稱(chēng)(R=-1)循環(huán)和非對(duì)稱(chēng)(R=0)循環(huán)的平均應(yīng)力進(jìn)行分析。圖3為850℃應(yīng)變范圍為1.6%時(shí)的R=-1和R=0的平均應(yīng)力曲線(xiàn)?？梢钥闯?(1)R=0的曲線(xiàn)與R=-1的曲線(xiàn)相比,有更大的平均應(yīng)力作用; (2)R=0的曲線(xiàn)初始平均應(yīng)力很大,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,平均應(yīng)力開(kāi)始階段下降很快,而后趨于穩(wěn)定;(3) R=-1的曲線(xiàn)也有平均應(yīng)力的作用,這說(shuō)明DZ125合金表現(xiàn)出輕微的拉壓不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,R=-1的曲線(xiàn)平均應(yīng)力緩慢下降,平均應(yīng)力漸漸趨于0,直至斷裂。

圖3 850℃的R=-1和R=0的平均應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.3 Themean stress curves of R=-1 and R=0 at 850℃

2.3 疲勞壽命分析

根據(jù)低循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制疲勞壽命曲線(xiàn),并用公式Δεt=a(2Nf)b[12]進(jìn)行擬合,圖4為850,980℃時(shí)R=-1和R=0的壽命對(duì)比。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),不論在850℃還是980℃,R=-1和R=0的壽命都基本一致。

但是按通常理解,同樣的應(yīng)變范圍情況下,R=0情況下因?yàn)橛衅骄鶓?yīng)力的作用,壽命會(huì)短一些。但圖4所做的數(shù)據(jù),R=0的曲線(xiàn)和R=-1的曲線(xiàn)交叉, R=-1和R=0的壽命基本一致。因此,為保證結(jié)論可靠性,又用M TS實(shí)驗(yàn)機(jī)做了另一組R=0的實(shí)驗(yàn),在850℃和980℃島津?qū)嶒?yàn)機(jī)和M TS實(shí)驗(yàn)機(jī)得到類(lèi)似的結(jié)果,如圖5所示。因此得出,對(duì)于DZ125定向凝固材料,在850℃和980℃對(duì)稱(chēng)(R=-1)和非對(duì)稱(chēng)(R=0)的壽命是一致的。

2.4 微觀機(jī)理分析

實(shí)驗(yàn)溫度T=850℃和應(yīng)變范圍Δεt=1.0%的實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行R=0(非對(duì)稱(chēng)循環(huán))和R=-1(對(duì)稱(chēng)循環(huán))的微觀對(duì)比分析。圖6為應(yīng)變比R=0的微觀照片,圖7為應(yīng)變比R=-1的微觀照片?？梢钥闯?(1)應(yīng)變比R=-1和R=0情況下,裂紋萌生的方式并沒(méi)有發(fā)生太大變化,從圖6(a)及圖7(a)看出裂紋萌生于表面及亞表面夾雜處,從圖6(b)看出裂紋萌生于碳化物;(2)從圖6(a)和圖7(a)對(duì)比觀察看出,R=0時(shí)表面裂紋密度比R=-1時(shí)的表面裂紋密度大。

3 討論

綜上所述,DZ125合金在850℃和980℃時(shí),應(yīng)變比R=-1和R=0的低循環(huán)疲勞壽命是一致的,但按照通常理解,非對(duì)稱(chēng)循環(huán)因?yàn)橛衅骄鶓?yīng)力的作用,疲勞壽命會(huì)比對(duì)稱(chēng)循環(huán)更短,分析其原因,這可以從宏觀力學(xué)觀點(diǎn)和微觀機(jī)理來(lái)解釋。從宏觀力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看,相同溫度、相同應(yīng)變范圍情況下,對(duì)稱(chēng)循環(huán)(R=-1)和非對(duì)稱(chēng)循環(huán)(R=0)的每一個(gè)疲勞循環(huán)所需要的能量是很接近的,因此從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始到試件斷裂所消耗的總能量也是接近的。從平均應(yīng)力來(lái)看,R=0的平均應(yīng)力在開(kāi)始階段從高應(yīng)力水平很快下降到低的應(yīng)力水平并保持穩(wěn)定,因此平均應(yīng)力的影響并不是主導(dǎo)因素。所以R=-1和R=0的低循環(huán)疲勞壽命是一致的。從微觀機(jī)理來(lái)看,當(dāng)應(yīng)變比R=-1變到R=0時(shí),平均應(yīng)力表現(xiàn)為平均拉應(yīng)力, R=0時(shí)所形成的平均拉應(yīng)力可以促進(jìn)裂紋的張開(kāi)從而加速氧化作用的滲透,增大氧化損傷,但R=0時(shí)的平均拉應(yīng)力在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持在較低的應(yīng)力水平,平均應(yīng)力作用并不明顯,使得氧化損傷不能成為主導(dǎo),疲勞損傷仍是主導(dǎo)因素。而且當(dāng)應(yīng)變比R=-1變?yōu)镽=0時(shí),裂紋萌生方式?jīng)]有發(fā)生明顯改變。這也就解釋了R=-1和R=0時(shí)疲勞壽命相差不是很大的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)在850℃和980℃,對(duì)稱(chēng)循環(huán)(R=-1)和非對(duì)稱(chēng)循環(huán)(R=0)的疲勞壽命是一致的。

(2)當(dāng)對(duì)稱(chēng)循環(huán)(R=-1)變?yōu)榉菍?duì)稱(chēng)循環(huán)(R=0)時(shí),由于平均拉應(yīng)力的存在,促進(jìn)了氧化滲透,氧化損傷的作用增大,但裂紋萌生方式?jīng)]有發(fā)生明顯改變。

(3)在連續(xù)循環(huán)無(wú)保持實(shí)驗(yàn)條件下,無(wú)論對(duì)稱(chēng)循環(huán)(R=-1)和非對(duì)稱(chēng)循環(huán)(R=0),在980℃和850℃,應(yīng)變范圍與實(shí)驗(yàn)的對(duì)數(shù)壽命都接近線(xiàn)性關(guān)系。

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Study on Influence of Strain Ratio on Low Cycle Fatigue Behavio r of Directionally Solidified Superalloy DZ125

L IU Jin2long,SH IDuo2qi,YANG Xiao2guang,BAO Yu,WANG Jing2ke
(School of Jet Propulsion,Beihang University,Beijing 100191,China)

The low cycle fatigue(LCF)behaviors of a directionally solidified nickel2based superalloy DZ125 at 850℃and 980℃w ere investigated.The effect of strain ratio(R=-1,0)on the stress2 strain hysteresis loop,cyclic mean stress evolution and fatigue liveswas analyzed.The results indica2 ted that the scatter of fatigue life for R=-1 and R=0 was small enough to be neglected at 850℃and 980℃.The f racture cross section was observed using scan electronic microscopic(SEM)to analyze the crack initiation mechanism.

superalloy;directionally solidified;low cycle fatigue;strain ratio

V 252

A

100124381(2010)1220047204

2009210216;

2010206208

劉金龍(1982—),男,博士生,從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件高溫合金結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析,聯(lián)系地址:北京航空航天大學(xué)動(dòng)力學(xué)院航空推進(jìn)系(100191),E2mail:ljl@sjp.buaa.edu.cn