不同應(yīng)變比下GH3030合金的高溫低周疲勞行為

張仕朝，于慧臣，李 影

（北京航空材料研究院，航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

0 引 言

GH3030合金是80Ni-20Cr固溶強(qiáng)化型高溫合金，在800℃以下具有良好的熱強(qiáng)性和塑性，并具有良好的抗氧化、熱疲勞、冷沖壓和焊接工藝性能。該合金經(jīng)固溶處理后為單相奧氏體，使用過(guò)程中組織穩(wěn)定，主要應(yīng)用于在800℃以下工作的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件，以及在1 100℃以下要求抗氧化、承受很小載荷的其它高溫部件［1］?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)它的研究主要集中于生產(chǎn)過(guò)程中的成分控制以及焊接性能、涂層防護(hù)等方面［2－5］；王攀等［6］認(rèn)為微量元素鋁的添加能在一定范圍內(nèi)提高GH3030合金的室溫拉伸性能。

在實(shí)際服役條件下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的熱端部件由于長(zhǎng)期承受高溫及復(fù)雜交變載荷的作用，容易產(chǎn)生高應(yīng)力（應(yīng)變）水平的低周疲勞損傷現(xiàn)象，因此高溫應(yīng)變疲勞所造成的損傷成為了影響此類構(gòu)件使用壽命的一個(gè)不容忽視的因素。目前，關(guān)于GH3030合金在軸向加載和非對(duì)稱疲勞載荷作用下疲勞性能差異的報(bào)道很少［7］。因此，作者在600℃、不同應(yīng)變比（－1和0.1）下對(duì)該合金進(jìn)行了低周疲勞試驗(yàn)，研究了應(yīng)力－應(yīng)變滯后回線、循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為、應(yīng)變壽命以及斷口形貌，有助于更加全面和深入地了解GH3030合金的高溫低周疲勞行為，以期為合金的實(shí)際應(yīng)用提供支持。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為高溫合金GH3030鍛件，其化學(xué)成分見(jiàn)表1［1］。熱處理（1 000℃保溫125min，空冷）后，其拉伸性能如表2所示。

表1 GH3030合金的名義化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Nominal chemical composition of GH3030superalloy（mass） %

表2 GH3030合金在不同溫度下的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of GH3030superalloy at different temperatures

在EHF-EA10型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上，按GB/T 15248－2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)。采用軸向應(yīng)變控制，低周疲勞試樣尺寸如圖1所示。引伸計(jì)的標(biāo)距為12mm，通過(guò)石英刀口與試樣接觸測(cè)試標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變，載荷波形為三角波，應(yīng)變比R為－1和0.1，應(yīng)變范圍Δεt為0.4%～1.44%，試驗(yàn)溫度為600℃，通過(guò)爐內(nèi)電阻絲輻射加熱試樣，由分布于標(biāo)距附近的熱電偶監(jiān)控制溫度，溫度波動(dòng)控制在±2℃之內(nèi)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集由計(jì)算機(jī)完成，各試驗(yàn)均進(jìn)行至試樣斷裂為止。斷裂后的試樣經(jīng)超聲波清洗后，采用JSM5600LV型掃描電鏡（SEM）觀察斷口形貌。

圖1 低周疲勞試樣的尺寸Fig.1 Size of low cycle fatigue sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力－應(yīng)變滯后回線

圖2 GH3030合金在應(yīng)變比為－1和不同應(yīng)變范圍下的應(yīng)力－應(yīng)變滯后回線Fig.2 Stress-strain loops of GH3030superalloy at strain ratio of－1and different strain ranges

由圖2可以看出，應(yīng)變比為－1時(shí)，其應(yīng)力－應(yīng)變滯后回線的循環(huán)過(guò)程為，在第一個(gè)循環(huán)先被拉到一個(gè)大的應(yīng)變量，此時(shí)材料已產(chǎn)生了較大的不可恢復(fù)的塑性變形，前幾個(gè)循環(huán)應(yīng)力的變化情況顯示出材料在循環(huán)狀態(tài)下的硬化或軟化狀態(tài)，隨著循環(huán)的進(jìn)行，達(dá)到設(shè)定的應(yīng)變量（如圖中中間壽命環(huán)所示）時(shí)，循環(huán)穩(wěn)定，滯后回線基本沿“O”點(diǎn)對(duì)稱。

由圖2，3可以看出，應(yīng)變比為0.1時(shí)，應(yīng)變控制的低周疲勞試驗(yàn)過(guò)程與應(yīng)變比為－1時(shí)的相似，滯后回線的形狀也比較接近，只是應(yīng)變比為0.1的滯后回線沿應(yīng)變軸進(jìn)行了平移。在相同應(yīng)變范圍下，穩(wěn)定滯后回線包圍的面積很接近，從能量的觀點(diǎn)來(lái)看，不同應(yīng)變比下循環(huán)所需的能量是接近的。

2.2 循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)每一給定的應(yīng)變幅（Δεt/2）記錄應(yīng)力值隨循環(huán)周次的變化情況。循環(huán)應(yīng)力范圍Δσ隨循環(huán)周次的變化（即循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)）從宏觀上反映了合金在不同溫度及其它試驗(yàn)條件下的應(yīng)變硬化或軟化行為。由圖4（a）可見(jiàn)，應(yīng)變比為－1時(shí)，在較高的外加應(yīng)變范圍（0.5%～1.4%）下，GH3030合金均表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化現(xiàn)象，這是由于在疲勞循環(huán)變形過(guò)程中，位錯(cuò)間以及位錯(cuò)與析出相間的交互作用均會(huì)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻礙作用，使位錯(cuò)塞積，這就必須增大外加載荷才能維持應(yīng)變恒定，從而導(dǎo)致循環(huán)應(yīng)力增加，即發(fā)生循環(huán)應(yīng)變硬化；在低應(yīng)變范圍（0.4%）時(shí)，GH3030合金則顯示出了先軟化后硬化的特征，但硬化不是很明顯，軟化現(xiàn)象的發(fā)生可能是因?yàn)轭A(yù)變形的金屬繼續(xù)承受循環(huán)變形時(shí)，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化，而這些結(jié)構(gòu)的精細(xì)參數(shù)會(huì)有大的變化。對(duì)于胞狀結(jié)構(gòu)，胞壁將連續(xù)變薄，且胞內(nèi)位錯(cuò)密度不斷降低，對(duì)于已變形的面滑移材料，循環(huán)過(guò)程中也會(huì)發(fā)生位錯(cuò)密度的降低，出現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象［8］。由圖4（b）可以看出，應(yīng)變比為0.1時(shí)，在較高的應(yīng)變范圍（0.63%～1.44%）和低應(yīng)變范圍（0.45%）下，GH3030合金表現(xiàn)出的應(yīng)力響應(yīng)關(guān)系與應(yīng)變比為－1時(shí)的相似。另外，圖4中還出現(xiàn)了應(yīng)力突然下降的階段，這是因?yàn)椴牧辖?jīng)過(guò)多次循環(huán)變形后，出現(xiàn)了疲勞損傷而進(jìn)入了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。

圖3 GH3030合金在應(yīng)變比為0.1和不同應(yīng)變范圍下的應(yīng)力－應(yīng)變滯后回線Fig.3 Stress-strain loops of GH3030superalloy at strain ratio of 0.1and different strain ranges

2.3 疲勞壽命

對(duì)于應(yīng)變控制的低周疲勞試驗(yàn)，應(yīng)變幅Δεt/2與疲勞壽命Nf可用 Manson-Coffin［9］關(guān)系式表示：

圖4 GH3030合金在不同應(yīng)變比和不同應(yīng)變范圍下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線Fig.4 Cyclic stress response curves for GH3030superalloy at different strain ratios and different strain ranges

式中：σ′f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；ε′f為疲勞延性系數(shù)；2 Nf為斷裂時(shí)的載荷反向周次；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)；E為循環(huán)彈性模量。

圖5中，Δεp/2為塑性應(yīng)變幅，Δεe/2為彈性應(yīng)變幅，Δεt/2為總應(yīng)變幅（簡(jiǎn)稱應(yīng)變幅）；塑性應(yīng)變幅和彈性應(yīng)變幅均由試樣半壽命時(shí)的循環(huán)滯后回線求得。據(jù)此，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，用線性回歸分析的方法即可對(duì)GH3030合金在600℃、不同應(yīng)變比下的應(yīng)變－疲勞壽命進(jìn)行分析，進(jìn)而確定出應(yīng)變疲勞參數(shù)的具體值，見(jiàn)表3，其中，K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，n′為循環(huán)硬化指數(shù)。

由圖6可以看出，在同一應(yīng)變水平下，應(yīng)變比對(duì)疲勞壽命的影響不太明顯，因?yàn)樵诘蛻?yīng)變水平下，疲勞數(shù)據(jù)存在很大的分散性，兩應(yīng)變比下的數(shù)據(jù)有交叉，因此，應(yīng)變比對(duì)疲勞壽命的影響不太明顯。按通常的理解，因平均應(yīng)力的影響，非對(duì)稱循環(huán)（R＝0.1）下的壽命短于對(duì)稱循環(huán)（R＝－1）下的，但從滯后環(huán)（圖2和圖3）中可以看出，兩應(yīng)變比下不同應(yīng)變水平下的滯后環(huán)最大應(yīng)力與最小應(yīng)力基本沿橫軸對(duì)稱，平均應(yīng)力的影響并不占主導(dǎo)因素，且在相同的溫度下以及相同的應(yīng)變范圍下，對(duì)稱循環(huán)與非對(duì)稱循環(huán)所需要的能量是接近的，從而導(dǎo)致應(yīng)變比的影響不太明顯。

圖5 GH3030合金在不同應(yīng)變比下的應(yīng)變幅－載荷反向周次關(guān)系曲線Fig.5 Strain amplitude vs reversals to failure curves for GH3030superalloy at different strain ratios

表3 GH3030合金在不同應(yīng)變比下的應(yīng)變疲勞參數(shù)Tab.3 Strain fatigue parameters of GH3030superalloy at 600 ℃ and at different strain ratios

圖6 GH3030合金在不同應(yīng)變比下的應(yīng)變幅－載荷反向周次曲線Fig.6 Strain amplitude-reversals to failure curves of GH3030superalloy at different strain ratios

2.4 循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變行為

材料的循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變行為反映了材料在低周疲勞條件下的真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變特性，通常用循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變曲線來(lái)表示。圖7中的數(shù)據(jù)點(diǎn)均由半壽命時(shí)的循環(huán)滯后回線求得。從圖中可以看出，在同一應(yīng)變幅下，應(yīng)變比為－1時(shí)的應(yīng)力幅（Δσ/2）低于應(yīng)變比為0.1時(shí)的應(yīng)力幅。圖中的實(shí)線是通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的近似曲線，可用式（2）來(lái)表達(dá)［9］：

式中：Δσ為循環(huán)應(yīng)力范圍。

對(duì)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，可以確定出K′和n′的值。相應(yīng)的分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖7 GH3030合金在不同應(yīng)變比下的循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.7 Cyclic stress-strain curves of GH3030 superalloy at different strain ratios

2.5 疲勞斷口形貌

低周疲勞應(yīng)變幅較大時(shí)，斷口疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)較小，應(yīng)變幅較小時(shí)，斷口上疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)所占的比例較大；且均可見(jiàn)疲勞斷裂的3個(gè)區(qū)域：疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。

圖8 GH3030合金在不同條件下疲勞斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)的SEM形貌Fig.8 SEMmorphology of cracks propogation area on fatigue fracture of GH3030superalloy at different conditions：（a）fatigue life of 565cycles and（b）fatigue life of 630cycles

由圖8可見(jiàn)，不同應(yīng)變比下的高應(yīng)變幅裂紋擴(kuò)展區(qū)均可見(jiàn)輪胎花樣，輪胎花樣是一種擦傷的疲勞裂紋痕跡，裂紋形成以后，裂紋面兩側(cè)有規(guī)則的反復(fù)張合，相對(duì)面上的棱角使斷面擦傷形成輪胎花樣［10］。除輪胎花樣外，還可見(jiàn)擦傷痕跡、條帶和二次裂紋的特征。

3 結(jié) 論

（1）在應(yīng)變比為0.1和－1時(shí)，在高應(yīng)變水平下，GH3030合金的高溫低周疲勞表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化現(xiàn)象，在低應(yīng)變水平下，則表現(xiàn)為先軟化后硬化的現(xiàn)象。

（2）在應(yīng)變比為0.1和－1時(shí)，其應(yīng)力－應(yīng)變滯后回線的形狀比較接近，只是應(yīng)變比為0.1的應(yīng)力－應(yīng)變回線沿應(yīng)變軸進(jìn)行了平移。

（3）在同一應(yīng)變水平下，合金在不同應(yīng)變比下的高溫低周疲勞壽命差別不是很明顯；應(yīng)變比為0.1時(shí)的應(yīng)力幅稍高于應(yīng)變比為－1時(shí)的。

（4）不同應(yīng)變比下的疲勞斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)均可見(jiàn)輪胎花樣的特征。

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