GH4169合金自然萌生小裂紋擴展行為的試驗研究

劉文杰 原棟 肖哲（西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710100）

GH4169合金自然萌生小裂紋擴展行為的試驗研究

劉文杰 原棟 肖哲（西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710100）

通過對單邊缺口拉伸（SENT）試樣進行實驗可以更進一步了解和掌握鎳基GH4169合金自然萌生小裂紋擴展行為表現，且將實驗中的應力比設、為0.1、0.5。結合實驗分析發現，長裂紋近門檻附近位置，小裂紋效應較為明顯，該疲勞小裂紋擴展壽命對全壽命影響較大。在對試樣斷口表面進行觀察的過程中，發現，疲勞小裂紋主要是由合金中夾雜引起的，同時以半圓形的方式逐漸向合金內部侵襲。

GH4169合金；小裂紋；擴展行為；試驗研究材料和試驗

1 材料

試驗材料為鎳基GH4169高溫合金，且該合金是通過直接時效熱處理工藝進行處理的，微觀結構圖如圖1所示。晶粒大小在15μm左右，但是部分晶粒大小可高達50μm。所使用的合金材料中有兩種不同類型的夾雜，其中顏色深、呈方形、大小范圍在5-30微米的是Ti(C，N)，另外一種顏色淺的為Nb(C，N)。常溫情況下，材料的力學性能：屈服強度為1390MPa，抗拉強度為1530MPa。

圖1 鎳基微觀結構

2 試驗內容

在本次小裂紋擴展行為研究試驗中，設定恒定的載荷值，應力比分別設定為0.1和0.5，且同一種試驗條件下需要進行三次重復試驗，以保證試驗結果的準確性。另外本次試驗中使用的儀器為MTS液壓伺服疲勞試驗機，溫度條件為室溫，試驗頻率設定為10赫茲，所選用加載波形為正弦波。

3 試驗結果與討論

3.1 小裂紋擴展行為

在后續的討論過程中主要以引起試樣斷裂的主裂紋為研究對象。經研究發現，試樣疲勞小裂紋是由材料夾雜出開始的，且夾雜尺寸較小，數量級在微米。在疲勞小裂紋開始階段，裂紋擴展路徑如圖2中的a所示，而小裂紋后期如圖2中b所示，通過對圖2b的觀察發現，在疲勞后期，裂紋路徑表現較為平直。另外過程中主要是通過覆膜法來進行裂紋擴展觀察的。

經對試驗研究分析發現，合金中小裂紋擴展速度變化范圍比較大，且呈現出較高的分散性，特別是在裂紋較小的區域內，這種現象尤為突出。但是裂紋長度增加的同時分散性也在逐漸降低，并最終趨于穩定。首先，在合金萌生小裂紋擴展初始階段，擴展速率變化較大，經分析研究認為，該現象出現是受擴展過程中突遇晶界等影響而導致的裂紋擴展停滯。

圖2

3.2 端口形貌分析

GH4169合金在試驗過程中萌生的小裂紋都存在轉變長度，且與該轉變長度相對應的是裂紋擴展速率其中的一個最低點。若小裂紋擴展過程中大于該裂紋的轉變長度，那么之后裂紋的擴展速率增加十分的明顯，直到最終的試樣斷裂。而為了更加全面的了解這一試驗現象發生的原因，下面將對試驗的端口形貌進行深入的分析。

合金試樣試驗過程中小裂紋擴展是由材料夾雜開始的，在初期階段，端口形貌主要大量的小平面為主，且這一階段裂紋的擴展速率也比較慢，一旦裂紋擴展到某一長度值后，斷口處的形貌就會發生明顯的變化，由混亂的小平面向較為平臺的斷口平面轉變。經使用設備觀察發現，該階段小平面內出現河流花樣，周圍有鋸齒狀的臺階。

3.3 小裂紋形狀確定

合金試樣通過試驗得出了不同裂紋長度下斷口形貌特點。首先，受到鎳基GH4169合金強度性能強的特點，在疲勞擴展小裂紋較小的情況下，在靜力拉伸作用喜愛，裂紋的情況可能會發生微弱的變形，但是通過觀察仍舊可以看出形狀近似于半圓形。而在小裂紋較大的情況下，其形狀則更加趨向于規則的半圓形。

3.4 小裂紋擴展模式

在本次試驗條件下，合金小裂紋擴展模式為：恒幅載荷條件下，試樣夾雜處在試驗早期就形成了微裂紋，隨著試驗的繼續進行微裂紋逐漸擴展的基體，且這一過程中滑移平面的未向也隨著晶粒取向的變化而發生變化，引起裂紋路徑的傾斜或者是扭曲，使得裂紋端口表面呈現出大量的小平面。而當裂紋長度達到轉變長度值后，擴展模式發生改變，裂紋尖端位置的塑性區變大，在這種情況下裂紋擴展是以2個滑移系統同時或者是交替進行擴展的，疲勞條帶越來越清晰，速率越來越快，斷口出表面趨于平坦，直到發生斷裂。

4 結語

綜上所述，在恒幅載荷作用下，鎳基GH4169合金在室溫條件下自然萌生小裂紋擴展有材料夾雜開始，并以半圓形的形式逐漸向基體擴展，且小裂紋擴展壽命所占全壽命的比重較大，同時合金在試驗過程中，其斷裂模式也發生了一定的改變，由晶體學小平面向疲勞條帶斷裂轉變。