應力水平對In783合金蠕變性能和蠕變機制的影響

楊楠林，談建平，軒福貞，孫 亮

（1.華東理工大學機械與動力工程學院，承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室，上海200237；2.中國特種設備檢測研究院，北京100013）

0 引 言

20世紀90年代末，美國Special Metals公司開發(fā)出了一種新型抗氧化低膨脹高溫合金Inconel alloy783（簡稱In783）［1］，該合金為鎳鐵鈷基鐵磁性合金，在基體中析出的γ′、β相能提高合金的強度。較高的鋁含量提高了該合金的抗氧化能力，鉻元素使其熱膨脹系數(shù)沒有很大提高，最終使該合金在600～800 ℃具有良好的綜合性能，從而廣泛應用于航空發(fā)動機、汽輪機閥門螺栓等對低膨脹、抗氧化性要求較高的一些場合。

對于在長時、低應力下服役的實際構(gòu)件，其蠕變變形主要源于過渡及穩(wěn)態(tài)蠕變階段。在設計高溫構(gòu)件時，通常僅采用Norton 冪律函數(shù)來描述構(gòu)件的高溫變形［2］，這樣勢必會低估其實際變形的大小。同時，人們通過大量研究發(fā)現(xiàn)，在相同的溫度下，蠕變機制會依施加應力水平的高低而發(fā)生變化，致使蠕變本構(gòu)參數(shù)在不同應力水平下存在差異［3-4］。用高應力（加速）試驗得到的蠕變本構(gòu)關系來預測低應力構(gòu)件的蠕變變形將得到非保守的結(jié)果。

由于在高溫結(jié)構(gòu)設計與評定規(guī)范中，較少考慮上述影響因素，又鑒于In783合金蠕變變形方面的報道較少。因此，作者以In783合金為研究對象，分析了不同應力水平對其蠕變性能和蠕變機制的影響，目的是既可以研究蠕變本構(gòu)方程，又可以為其在工程上的應用提供依據(jù)。

1 本構(gòu)方程及第二相粒子強化材料的蠕變機制

1.1 Norton-Bailey本構(gòu)方程

常載荷試驗所得的蠕變應變εc可以寫成應力σ、時間t和溫度T 的函數(shù)，一般假定σ，t，T 的作用是可分離的，所以該函數(shù)關系［5］可以表示為

大量試驗結(jié)果表明，在高溫下，大多數(shù)材料在較低應力水平下的蠕變速率與應力在雙對數(shù)坐標中呈線性關系。因此，應力函數(shù)可以表示為

式中：A 為與材料特性、溫度有關的常數(shù)；n 為應力指數(shù)。

由于蠕變的時間相關性，因此對時間函數(shù)的研究特別多。大部分的方程是根據(jù)試驗結(jié)果擬合而成的，Bailey定義了蠕變第一階段與時間相關性的方程：

式中：b為與材料特性有關的常數(shù)；m 為與時間相關的參數(shù)。

試驗在確定的溫度下進行，即等溫條件，所以不考慮溫度因素。綜合式（2）和式（3）可得Norton-Bailey本構(gòu)方程：

式中：B 為與材料特性、溫度有關的常數(shù)。

1.2 第二相粒子強化材料的蠕變機制

第二相粒子彌散強化合金的蠕變機制核心問題是位錯越過第二相粒子的機制。位錯滑移遇到第二相粒子時可以通過以下三種途徑［6］越過。

1）通過Orowan機制越過粒子，繞過粒子所需的應力為Orowan應力。在鎳基高溫合金中，γ′相顆粒是位錯的障礙，位錯以Orowan繞越方式通過γ′相時，會留下一個位錯環(huán)。

2）位錯切割機制。位錯在滑移過程中遇到顆粒障礙時，在一定的應力條件下可以切過比較軟且與基體共格的粒子。

以上兩種機制一般都是在較高的應力水平下存在，而且Orowan繞越機制的臨界應力要大于切割機制的臨界應力，這說明切割機制比Orowan繞越機制更易于開動。

3）當施加應力不足以開動以上兩種機制時，即施加應力小于轉(zhuǎn)折應力時（低應力范圍），位錯只能通過熱激活攀移機制來克服第二相顆粒的阻礙。

2 試樣制備與試驗方法

試驗材料為未服役的In783高溫合金，其化學成分（質(zhì) 量 分 數(shù)／%）為0.08C，2.76Cr，5.4Al，2.87Nb，0.11Ti，29.2Ni，33.3Co，余Fe。將其加工成圖1所示的棒狀試樣，在CSS-3905型高溫電子蠕變持久試驗機上進行蠕變試驗，蠕變試驗溫度為620 ℃，試驗最高應力為1.26σ0，最低應力為0.74σ0（σ0為材料在該溫度下的屈服應力，為540 MPa）。首先在500N 恒載荷下升溫，達到目標溫度后，保溫2h，然后于1 min內(nèi)加載至預定載荷，最后根據(jù)試驗情況，獲取In783 合金在620 ℃、不同應力水平（0.74σ0～1.26σ0）下 的 蠕 變 信 息；總 試 驗 時 間 為4 497h。

圖1 蠕變試樣的形狀與尺寸Fig.1 Shape and dimensions of creep sample：（a）whole view and（b）partial enlarged view

選取在0.74σ0（較低應力）、0.93σ0（較高應力）、1.26σ0（高應力）三個應力水平下進行蠕變試驗后的試樣，采用PHILIPS CM200型透射電鏡觀察斷口形貌，以了解In783 高溫合金的蠕變機制，電壓為200kV，線分辨率為0.14nm。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 蠕變性能

相關的試驗條件及試驗結(jié)果如表1所示。表中采用屈服應力歸一化試驗應力。

圖2中的時間軸采用無量綱參數(shù)t／th表示（t為材料在一定溫度和應力下蠕變試驗的時間，th為該溫度和應力水平下的蠕變試驗總時間）。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在較高的幾個應力水平下，蠕變曲線沒有明顯的第二階段。根據(jù)各個應力水平下的蠕變曲線，可以求出各個應力水平相對應的最小蠕變速率，繼而可以通過最小蠕變速率與應力在雙對數(shù)坐標下呈線性的特點，求出應力指數(shù)。

表1 蠕變試驗條件及試驗結(jié)果Tab.1 Creep test conditions and results

圖2 In783合金在620 ℃、不同應力水平下的蠕變應變-時間歸一化關系曲線Fig.2 Creep strain-normalized time curves of In783 alloy at 620 ℃and different stress levels

由圖3可見，In783合金在不同應力區(qū)（σ／σ0）的應力指數(shù)n并不相同。隨著施加應力的不斷增大，曲線的斜率發(fā)生偏轉(zhuǎn)，應力指數(shù)增大；低應力區(qū)的應力指數(shù)為4.5，高應力區(qū)的應力指數(shù)為13.2。

圖3 最小蠕變速率與應力的關系Fig.3 The relationship between minimum creep rate and applied stress

一般而言，在材料的蠕變特性中，將應力區(qū)分為三塊：低應力區(qū)（以擴散蠕變?yōu)橹鳎?、中應力區(qū)（以冪律蠕變?yōu)橹?，應力指?shù)一般為5左右［7］）和高應力區(qū)（冪律蠕變失效）。通?？梢杂脩χ笖?shù)來判斷金屬材料的蠕變機制，對于第二相強化合金來說，冪律蠕變應力指數(shù)一般要大于6，低應力區(qū)也接近4～5［8］。

從圖4中可以看到，在低應力區(qū)，Norton-Bailey本構(gòu)方程擬合曲線與試驗得到的蠕變值能很好地吻合，而且蠕變第一階段的吻合度很高。但在高應力區(qū)，兩者的吻合度很差。這可能是由于蠕變機制發(fā)生了變化，Norton-Bailey本構(gòu)方程已不再適用造成的。

圖4 蠕變試驗值與Norton-Bailey本構(gòu)方程擬合曲線的比較Fig.4 Comparison between creep experimental results and fitted curves of the constitutive equation

3.2 蠕變機制

對于第二相粒子強化合金，其蠕變機制主要考慮位錯如何越過第二相粒子。一般而言，在低應力區(qū)范圍內(nèi)，施加應力小于轉(zhuǎn)折應力時，位錯只能通過熱激活攀移機制來克服第二相顆粒的阻礙；在高應力區(qū)，位錯可以切割越過第二相粒子，也可以Orowan繞越方式越過阻礙。

從圖5～7中可以發(fā)現(xiàn)，高、低應力區(qū)蠕變變形組織中的位錯形態(tài)不同。低應力試樣（圖5）的基體上存在明顯的位錯形態(tài)，顆粒沒有明顯的切割線，也沒有繞越之后留下的位錯環(huán)，較高應力和高應力下試樣（圖6和圖7）中的顆粒周圍環(huán)繞著位錯（即位錯繞越之后留下的位錯環(huán)）。所以，高應力下蠕變機制以Orowan繞越方式為主。

圖5 In783合金在620 ℃／0.74σ0蠕變條件下的位錯特征Fig.5 Dislocations of In783alloy under creep conditions of 620 ℃and 0.74σ0：（a）matrix and（b）second-phase particles

圖6 In783合金在620 ℃／0.93σ0蠕變條件下的位錯特征Fig.6 Dislocations of In783alloy under creep conditions of 620 ℃and 0.93σ0：（a）second-phase particle and（b）local amplification

圖7 In783合金在620 ℃／1.26σ0蠕變條件下的位錯特征Fig.7 Dislocations of In783alloy under creep conditions of 620 ℃and 1.26σ0

4 結(jié) 論

（1）In783合金的蠕變速率與應力的關系可用冪律蠕變關系表示；在試驗應力范圍內(nèi)，最小蠕變速率與應力的關系曲線在雙對數(shù)坐標下并非呈單一線性關系，高應力區(qū)的應力指數(shù)比低應力區(qū)的大，用高應力本構(gòu)參數(shù)來預測低應力構(gòu)件的蠕變變形將得到非保守的結(jié)果。

（2）Norton-Bailey 本構(gòu)方程能較好地描述低應力范圍內(nèi)的蠕變曲線，但對于高應力區(qū)，該方程并不能很好地描述其蠕變曲線。

（3）In783合金在低應力區(qū)和高應力區(qū)的蠕變機制不相同；低應力區(qū)的蠕變機制可能以位錯熱激活攀移為主；高應力區(qū)的蠕變機制以Orowan繞越方式為主；蠕變機理的不同導致蠕變速率與應力關系曲線斜率發(fā)生轉(zhuǎn)變。

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