GH4169合金自然萌生小裂紋擴(kuò)展行為的試驗(yàn)研究

劉文杰 原棟 肖哲（西安航天源動(dòng)力工程有限公司，陜西 西安 710100）

GH4169合金自然萌生小裂紋擴(kuò)展行為的試驗(yàn)研究

劉文杰 原棟 肖哲（西安航天源動(dòng)力工程有限公司，陜西 西安 710100）

通過(guò)對(duì)單邊缺口拉伸（SENT）試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以更進(jìn)一步了解和掌握鎳基GH4169合金自然萌生小裂紋擴(kuò)展行為表現(xiàn)，且將實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力比設(shè)、為0.1、0.5。結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)裂紋近門(mén)檻附近位置，小裂紋效應(yīng)較為明顯，該疲勞小裂紋擴(kuò)展壽命對(duì)全壽命影響較大。在對(duì)試樣斷口表面進(jìn)行觀察的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)，疲勞小裂紋主要是由合金中夾雜引起的，同時(shí)以半圓形的方式逐漸向合金內(nèi)部侵襲。

GH4169合金；小裂紋；擴(kuò)展行為；試驗(yàn)研究材料和試驗(yàn)

1 材料

試驗(yàn)材料為鎳基GH4169高溫合金，且該合金是通過(guò)直接時(shí)效熱處理工藝進(jìn)行處理的，微觀結(jié)構(gòu)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(dá)50μm。所使用的合金材料中有兩種不同類(lèi)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(xué)性能：屈服強(qiáng)度為1390MPa，抗拉強(qiáng)度為1530MPa。

圖1 鎳基微觀結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)內(nèi)容

在本次小裂紋擴(kuò)展行為研究試驗(yàn)中，設(shè)定恒定的載荷值，應(yīng)力比分別設(shè)定為0.1和0.5，且同一種試驗(yàn)條件下需要進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外本次試驗(yàn)中使用的儀器為MTS液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，溫度條件為室溫，試驗(yàn)頻率設(shè)定為10赫茲，所選用加載波形為正弦波。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 小裂紋擴(kuò)展行為

在后續(xù)的討論過(guò)程中主要以引起試樣斷裂的主裂紋為研究對(duì)象。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，試樣疲勞小裂紋是由材料夾雜出開(kāi)始的，且?jiàn)A雜尺寸較小，數(shù)量級(jí)在微米。在疲勞小裂紋開(kāi)始階段，裂紋擴(kuò)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(guò)對(duì)圖2b的觀察發(fā)現(xiàn)，在疲勞后期，裂紋路徑表現(xiàn)較為平直。另外過(guò)程中主要是通過(guò)覆膜法來(lái)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展觀察的。

經(jīng)對(duì)試驗(yàn)研究分析發(fā)現(xiàn)，合金中小裂紋擴(kuò)展速度變化范圍比較大，且呈現(xiàn)出較高的分散性，特別是在裂紋較小的區(qū)域內(nèi)，這種現(xiàn)象尤為突出。但是裂紋長(zhǎng)度增加的同時(shí)分散性也在逐漸降低，并最終趨于穩(wěn)定。首先，在合金萌生小裂紋擴(kuò)展初始階段，擴(kuò)展速率變化較大，經(jīng)分析研究認(rèn)為，該現(xiàn)象出現(xiàn)是受擴(kuò)展過(guò)程中突遇晶界等影響而導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展停滯。

圖2

3.2 端口形貌分析

GH4169合金在試驗(yàn)過(guò)程中萌生的小裂紋都存在轉(zhuǎn)變長(zhǎng)度，且與該轉(zhuǎn)變長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)的是裂紋擴(kuò)展速率其中的一個(gè)最低點(diǎn)。若小裂紋擴(kuò)展過(guò)程中大于該裂紋的轉(zhuǎn)變長(zhǎng)度，那么之后裂紋的擴(kuò)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(yàn)現(xiàn)象發(fā)生的原因，下面將對(duì)試驗(yàn)的端口形貌進(jìn)行深入的分析。

合金試樣試驗(yàn)過(guò)程中小裂紋擴(kuò)展是由材料夾雜開(kāi)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(kuò)展速率也比較慢，一旦裂紋擴(kuò)展到某一長(zhǎng)度值后，斷口處的形貌就會(huì)發(fā)生明顯的變化，由混亂的小平面向較為平臺(tái)的斷口平面轉(zhuǎn)變。經(jīng)使用設(shè)備觀察發(fā)現(xiàn)，該階段小平面內(nèi)出現(xiàn)河流花樣，周?chē)袖忼X狀的臺(tái)階。

3.3 小裂紋形狀確定

合金試樣通過(guò)試驗(yàn)得出了不同裂紋長(zhǎng)度下斷口形貌特點(diǎn)。首先，受到鎳基GH4169合金強(qiáng)度性能強(qiáng)的特點(diǎn)，在疲勞擴(kuò)展小裂紋較小的情況下，在靜力拉伸作用喜愛(ài)，裂紋的情況可能會(huì)發(fā)生微弱的變形，但是通過(guò)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(guī)則的半圓形。

3.4 小裂紋擴(kuò)展模式

在本次試驗(yàn)條件下，合金小裂紋擴(kuò)展模式為：恒幅載荷條件下，試樣夾雜處在試驗(yàn)早期就形成了微裂紋，隨著試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行微裂紋逐漸擴(kuò)展的基體，且這一過(guò)程中滑移平面的未向也隨著晶粒取向的變化而發(fā)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(xiàn)出大量的小平面。而當(dāng)裂紋長(zhǎng)度達(dá)到轉(zhuǎn)變長(zhǎng)度值后，擴(kuò)展模式發(fā)生改變，裂紋尖端位置的塑性區(qū)變大，在這種情況下裂紋擴(kuò)展是以2個(gè)滑移系統(tǒng)同時(shí)或者是交替進(jìn)行擴(kuò)展的，疲勞條帶越來(lái)越清晰，速率越來(lái)越快，斷口出表面趨于平坦，直到發(fā)生斷裂。

4 結(jié)語(yǔ)

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(kuò)展有材料夾雜開(kāi)始，并以半圓形的形式逐漸向基體擴(kuò)展，且小裂紋擴(kuò)展壽命所占全壽命的比重較大，同時(shí)合金在試驗(yàn)過(guò)程中，其斷裂模式也發(fā)生了一定的改變，由晶體學(xué)小平面向疲勞條帶斷裂轉(zhuǎn)變。