永乐国际晶粒尺寸对GH4169镍基合金疲劳小裂纹扩

 

2019-05-29 12:38

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  目前,运用断裂力学研究金属结构疲劳裂纹扩展时针对的都是几毫米,甚至是几十毫米的“长裂纹”。但是,由于近几年损伤容限法则的建立,一些由疲劳失效控制的工程构件,如航空发动机涡轮盘和叶片,它们的设计要求必须了解小尺度(裂纹长度从几微米到2mm)疲劳裂纹(简称小裂纹)的扩展特征。美国材料试验学会颁布的E647-00《疲劳裂纹扩展速率测量标志试验方法》规定:如果一条裂纹的所有几何尺寸(对表面裂纹而言,同时包括它的长度和深度)与相关的微观结构尺度、连续介质力学尺度或物理尺度相比都较小的话,则将其定义为“小裂纹”;而当裂纹长度达到材料的微观结构不足以影响其扩展时,即裂纹转变为长裂纹。最近越来越多的研究结果表明,当裂纹名义驱动力相同时,小裂纹的扩展速率比长裂纹的高得多,因此把针对长裂纹的疲劳断裂设计理论直接用于含小裂纹构件的疲劳寿命设计,可能导致对其疲劳寿命的估计过高。

  随着国产GH4169合金生产技术的日渐成熟和使用范围的日益扩大,研究其小裂纹的疲劳扩展行为,能够为国产航空发动机涡轮盘的长寿命设计提供重大帮助。目前,有关GH4169镍基合金疲劳小裂纹扩展的试验研究,尤其是晶粒尺寸对小裂纹扩展的影响研究鲜有报道。为此,科研人员对GH4169镍基高温合金进行了不同温度固溶加双级时效热处理,研究了不同固溶温度处理后的晶粒尺寸及力学性能以及晶粒尺寸对疲劳小裂纹扩展行为的影响。

  试验材料为热连轧GH4169镍基高温合金棒材,尺寸为Φ44mm×3000mm,晶粒度9~11,平均晶粒尺寸6μm,其化学成分(质量分数,%)为C0.82,Al0.44,Si0.18,Ti1.16,Cr19.55,Fe18.93,Nb5.19,S0.003,Mo2.74,P0.005,余Ni。采用线切割机将合金棒材切割成尺寸为Φ16mm×140mm试样和5mm×5mm×5mm的金相试样,在不同的固溶温度下进行1h固溶处理,空冷,再进行(720±5)℃×8h炉冷(冷速50℃•h-1)和(620±5)℃×8h空冷的双级时效处理,固溶温度分别为985、永乐国际1010、1020、1035、1050℃。试验结果表明:

  (1)在不同温度固溶和双级时效处理后,随着固溶温度的升高,试验合金的晶粒尺寸明显增大,强度下降。

  (2)随着平均晶粒尺寸的增大,试验合金的疲劳寿命延长;疲劳小裂纹阶段占据了疲劳寿命的70%~80%,一旦小裂纹尺寸长度达到临界尺寸,裂纹会快速扩展至断裂;平均晶粒尺寸较小的试验合金中小裂纹临界尺寸较小。

  (3)小裂纹阶段,试验合金中裂纹扩展速率波动性大,有时会出现减速或止裂现象,平均晶粒尺寸对小裂纹扩展速率的影响不明显;长裂纹阶段,裂纹扩展速率随着晶粒尺寸的增大而降低。

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