耿長建，周軼群，佟文偉，劉福春，劉 歡

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

預(yù)應(yīng)變對(duì)GH4169合金低周疲勞行為的影響

耿長建，周軼群，佟文偉，劉福春，劉 歡

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件在實(shí)際工作中受到的軸向拉應(yīng)力作用下疲勞行為的變化，開展了發(fā)動(dòng)機(jī)常用材料G H 4169合金在拉伸預(yù)應(yīng)變條件下的低周疲勞行為的研究，得出疲勞壽命隨預(yù)應(yīng)變?cè)黾拥淖兓?guī)律。從宏觀和微觀2方面分析預(yù)變形對(duì)材料低周疲勞行為影響的變形機(jī)制。最終為解決實(shí)際工程中構(gòu)件斷裂等問題提供技術(shù)支持，同時(shí)也為評(píng)估航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件在產(chǎn)生預(yù)變形條件下的壽命，確保安全使用提供技術(shù)支撐。結(jié)果表明：隨著預(yù)應(yīng)變量的增加低周疲勞壽命降低,組織內(nèi)位錯(cuò)密度、孿晶數(shù)量均增加，裂紋擴(kuò)展長度減小。

預(yù)應(yīng)變；低周疲勞；G H 4169合金；應(yīng)力幅；滯后回線；變形機(jī)制

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中面臨著高溫、振動(dòng)以及劇烈的狀態(tài)變化，為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能（特別是推重比），材料和構(gòu)件的可靠性需要達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)試車及零部件試驗(yàn)中，常出現(xiàn)由應(yīng)力過載導(dǎo)致塑性變形的情況。某些材料在一定形變條件下產(chǎn)生強(qiáng)化，有些情況下這種變形對(duì)材料和零部件壽命及安全性產(chǎn)生不利影響。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件材料的力學(xué)性能和構(gòu)件性能要達(dá)到更高要求。近幾年，航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)在工作中因構(gòu)件損傷破壞而導(dǎo)致嚴(yán)重事故多發(fā)，因此研究發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的使用壽命是解決問題的關(guān)鍵。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)預(yù)變形對(duì)材料疲勞性能的影響做了大量研究[1-8]。

發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件在實(shí)際工作中受軸向拉應(yīng)力作用。本文研究了GH4169合金在不同預(yù)應(yīng)變條件下的低周疲勞行為，并對(duì)其變形機(jī)制進(jìn)行分析，研究了構(gòu)件在拉應(yīng)力作用下材料的低周疲勞性能變化，為發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件在實(shí)際工作條件下的疲勞行為研究提供理論依據(jù)。

1 預(yù)應(yīng)變低周疲勞試驗(yàn)

在預(yù)應(yīng)變?cè)囼?yàn)中，拉伸應(yīng)力超過試棒的屈服強(qiáng)度發(fā)生塑性變形，即產(chǎn)生一定預(yù)應(yīng)變，將預(yù)應(yīng)變?cè)嚢艏庸こ蓸?biāo)準(zhǔn)疲勞試樣。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將3個(gè)同一預(yù)應(yīng)變量條件下的試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果作為1組數(shù)據(jù)。在Instron試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，應(yīng)變幅為1.2%（應(yīng)變比為0.1）。

1.1 低周疲勞性能曲線

不同預(yù)應(yīng)變量條件下低周疲勞應(yīng)力幅隨循環(huán)周次的變化曲線（每條曲線是1個(gè)試樣的結(jié)果）如圖1所示。從圖中可見，應(yīng)力幅隨著循環(huán)周次的增加而逐漸減小，即發(fā)生循環(huán)軟化。

圖1 應(yīng)力幅-循環(huán)周次變化曲線

在應(yīng)變幅為1.2%的條件下，低周疲勞壽命與預(yù)應(yīng)變量的關(guān)系曲線如圖2所示。從圖中可見，低周疲勞壽命隨著預(yù)應(yīng)變量的增加而縮短。

圖2 循環(huán)周次-預(yù)應(yīng)變量曲線

在2%預(yù)應(yīng)變條件下不同周期應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖中可見，滯回曲線的不對(duì)稱性隨循環(huán)周次的增加變化不明顯；密排六方金屬鎂合金滯回曲線的不對(duì)稱性隨循環(huán)周次的增加明顯增強(qiáng)[9]，說明GH4169合金包申格效應(yīng)不明顯[10]。

在不同預(yù)應(yīng)變條件下第2000周次的滯回曲線如圖4所示。從圖中可見，預(yù)應(yīng)變量越大，發(fā)生該應(yīng)變量所需要的應(yīng)力越大，隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，同一周期滯回曲線整體上平移但曲線形狀無明顯變化，即發(fā)生同一應(yīng)變所需應(yīng)力增大。

圖3 2%預(yù)應(yīng)變不同循環(huán)周次應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線

圖4 不同預(yù)應(yīng)變條件下第2000周期的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線

1.2 微觀組織分析

疲勞斷裂后試樣微觀組織如圖5所示。從圖中可見，不同應(yīng)變量疲勞斷裂組織整體上形貌變化不大，但組織內(nèi)位錯(cuò)、孿晶的數(shù)量隨著預(yù)應(yīng)變量增加而增加。位錯(cuò)密度也隨應(yīng)變量增加而增大[11]。隨著變形量的增加，產(chǎn)生孿晶的剪切應(yīng)力更易達(dá)到，故孿晶數(shù)量隨著預(yù)應(yīng)變量的增加而增加，位錯(cuò)及孿晶界處更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞壽命縮短。

圖5 疲勞斷裂試樣組織

1.3 斷口分析

不同預(yù)應(yīng)變疲勞試樣斷口裂紋擴(kuò)展長度如圖6所示。從圖中可見，裂紋擴(kuò)展長度隨著預(yù)應(yīng)變量的增加而減?。?%預(yù)應(yīng)變除外）。

圖6 斷口宏觀形貌

斷口中心部位微觀形貌如圖7所示。從圖中可見，每個(gè)斷口中心部位都有大量較深的韌窩，說明中心部位為韌性斷裂。經(jīng)過預(yù)應(yīng)變?cè)嚰h(huán)變形能力明顯降低，說明材料在循環(huán)塑性應(yīng)變的作用下，破壞迅速。由此可見，塑性疲勞是造成疲勞損傷的根本原因，同時(shí)也說明當(dāng)循環(huán)載荷能夠引起材料的反向塑性變形越大時(shí)（施加載荷足夠大），材料的破壞損傷也越嚴(yán)重[12]。

圖7 中心部位斷口形貌

2 分析與討論

一般來說，如果材料在非對(duì)稱應(yīng)變循環(huán)變形條件下（Ra=0或Ra=-∞），其應(yīng)力變化與對(duì)稱應(yīng)變循環(huán)變形條件下的應(yīng)力變化有所差異。材料在拉-拉循環(huán)變形條件下（Ra=0）的應(yīng)力隨應(yīng)變變化如圖8所示。

圖8 高、低應(yīng)變幅下第1周期滯回曲線

從圖中可見，在小應(yīng)變幅下的拉伸開始階段，首先發(fā)生彈性形變，然后是彈塑性變形至a點(diǎn)。卸載后回彈，應(yīng)力降為零，但殘留有小的塑性應(yīng)變。此時(shí)，若將應(yīng)變回復(fù)到零，需要有壓縮應(yīng)力形成反向加載，所需壓縮應(yīng)力的大小取決于殘留塑性應(yīng)變的大小和反向壓縮過程中材料的屈服應(yīng)力大小。由于在小應(yīng)變幅下發(fā)生的塑性應(yīng)變極小，所以從a至b的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為線性，該過程為彈性應(yīng)變。在接下來的循環(huán)變形過程中，應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)將沿著圖中所示的紅色直線在a、b之間往復(fù)進(jìn)行。在大應(yīng)變幅下的循環(huán)變形過程中，在拉伸初始階段發(fā)生彈性應(yīng)變后，從a至c發(fā)生較大彈塑性應(yīng)變。卸載后，發(fā)生回彈，應(yīng)力降為零，但殘留的塑性應(yīng)變較大，若將應(yīng)變回復(fù)至零，需要較大的壓縮應(yīng)力。在該過程中，有可能發(fā)生塑性屈服，屈服應(yīng)力的大小取決于塑性變形的大小和是否發(fā)生包申格效應(yīng)[13-14]。理想情況下，從c至d發(fā)生彈性應(yīng)變，在d點(diǎn)發(fā)生屈服，而從d至e為彈塑性應(yīng)變。在接下來的卸載和反向拉伸過程中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線從e至 f為線性、彈性過程，而從f至c為非線性、彈塑性過程，由f至c，構(gòu)成c-d-e-f-c滯回曲線[15]。預(yù)應(yīng)變使試樣在開始階段就產(chǎn)生了塑性變形，使接下來的疲勞過程中從a至b，c至d過程縮短，疲勞壽命縮短。因此，預(yù)應(yīng)變量越大疲勞壽命越短。

3 結(jié)論

（1）不同預(yù)應(yīng)變量條件下應(yīng)力幅均隨循環(huán)周次的增加而逐漸減?。?/p>

（2）隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，循環(huán)周次減少，整個(gè)循環(huán)過程滯回曲線的不對(duì)稱性變化不明顯；

（3）隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，同一周期滯回曲線整體上平移；

（4）隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，內(nèi)位錯(cuò)密度、孿晶數(shù)量均增加，裂紋擴(kuò)展長度減?。?%預(yù)應(yīng)變除外）。

[1]隋國鑫，姚戈，周本濂.預(yù)拉伸形變對(duì)VIRALL復(fù)合板疲勞性能的影響[J].材料研究學(xué)報(bào)，1996，10（2）：221-225. SUI Guoxin，YAO Ge，ZHOU Benlian.The effect of postcured straining on the fatigue properties of VIRALL laminates[J].Chinese Journal of Materials Research，1996，10（2）：221-225.（in Chinese)

[2]呂寶桐，鄭修麟.微量預(yù)應(yīng)變對(duì)15MnVN鋼初始屈服抗力和疲勞極限的影響[J].Iron and Steel，1999，34（5）：48-51. LYU Baotong，ZHENG Xiulin.Effect of small prestrain on initial yielding resistance and fatigue properties of 15MnVN steel[J].Journal of Iron and steel，1999，34（5）：48-51.（in Chinese)

[3]苗德華，西田新一，服部信右.預(yù)應(yīng)變對(duì)不同含量鋼材疲勞特性的影響[J].工程力學(xué)，2008，25（12）：147-152. MIAO Dehua,XITIAN xinyi,FUBU xinyou.Effect of prestrain on fatigue properties of carbon steels[J].Journal of Engineering Mechanics，2008，25（12）：147-152.（in Chinese)

[4]王時(shí)越，林茉君，邵劍飛.扭轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)變對(duì)45鋼低周疲勞性能的影響[J].機(jī)械強(qiáng)度，1998，20（4）：300-304. WANG Shiyue，LIN Mojun，SHAO JianFei.Effect of torsional prestrain on low cycle fatigue of steel 45 [J].Journal of mechanical strength，1998，20（4）：300-304.（in Chinese)

[5]柴慧芬，阮征，范群成.Cu及Cu-Zn合金預(yù)變形和循環(huán)軟化的滑移線形貌[J].金屬學(xué)報(bào)，1994，30（11）：502-505. CHAI Huifen，RUAN Zheng，F(xiàn)AN Quncheng.The predeformation of Cu and Cu-Zn alloy and the appearance of cyclic soften slips[J].Journal of Acta Metallurgica Sinica，1994，30（11）：502-505.（in Chinese)

[6]Sü leyman，Z Gü NDü.The effect of the prestraining and ageing on tensile behaviors of micro alloyed steels[J].Journal of Engineering Sciences，2005，11（1）：147-152.

[7]楊華春，楊小川，楊金炳，等.預(yù)變形量對(duì)super304h鋼管性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2014，38（1）：14-18. YANG Huachun，YANG Xiaochuan，YANG Jinbing，et al.Effect of predeformation on properties of super 304h tube[J].Journal of Materials for Mechanical Engineering，2014，38（1）：14-18.（in Chinese)

[8]王敏，陳詩蓀.預(yù)變形對(duì)鋁鋰合金強(qiáng)度和韌性的影響[J].航空學(xué)報(bào)，1997，18（3）：379-381. WANG Min，CHEN Shisun.Influence of the preformation and tenacity of Aluminum-Lithium alloys[J].Journal of Acta Aeronautica and Astronautica Sinica，1997，18（3）：379-381.（in Chinese)

[9]GENG Changjian，WU Baolin，DU Xinghao，et al.Low cycle fatigue of the textured AZ31B magnesium alloy under asymmetrical loading[J]. Journal of Materials Science and Engineering A，2013（560）：618-626.

[10]Buciumeanu M，Palaghian L，Miranda A,et al.Fatigue life predictions including the Bauschinger effect[J].International Journal of Fatigue，2011，33（2）：145-152.

[11]Lee W，Lin C.The effect of the prestrain on fatigue behaviour of TC17 alloy[J].Metal Mater Trans，2002，35（A）：2801-2084.

[12]桑多爾.循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)變的基本原理 [M].北京：科學(xué)出版社，1985：2-3. SANG Duoer.The ultimatum of cyclic stress and strain[M].Beijing：Science Press,1985：2-3.（in Chinese)

[13]White L，Strader J，Austin J.An elasticity measurement in the Mg-Cd alloy system[J].Acta Metallurgica，1967，15（1）：45-47.

[14]Sunghyuk P，Seonggu H，Byoungho L,et al.Low cycle fatigue characteristics of rolled Mg-3Al-1Zn alloy[J].International Journal of Fatigue，2010，32（11）：1835-1842.

[15]耿長建.AZ31B鎂合金動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2013. GENG Changjian.Study of dynamic mechanical behavior of AZ31B magnesium alloy [D].Shenyang：Northeastern University，2013.（in Chinese)

（編輯：趙明菁）

Effect of Prestrain on Low Cycle Fatigue Behavior of GH4169 Alloy

GENG Chang-jian,ZHOU Yi-qun,TONG Wen-wei,LIU Fu-chun,LIU Huan
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

In order to research the mechanical behaviors of aeroengine artifacts under the practical condition of tensile stress,the effect of prestrain on the fatigue behaviors of GH4169 alloy material which widely used in aeroengine was analyzed.The relation of the cycle life with increasing prestrain was obtained.The impact of prestrain on the deformation mechanism of GH4169 was investigated in-depth by both macrostructure and microstructure methods respectively.Technology sustainment was provided for the solution of fracture analysis of aeroengine artifacts and the security of aeroengine artifacts working in the prestrain condition.The results show that the cyclic number decreased with the increasing prestrain,the dislocation density and the number of twinning both increased with the increasing prestrain, while the length of extended crack reduced.

prestrain;low cycle fatigue;GH4169 alloy;stress amplitude;hysteresis loop;deformation mechanism

V 216.5+5

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.05.016

2014-11-28 基金項(xiàng)目：航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

耿長建（1980），男，博士，工程師，從事金屬材料性能及其微觀變形機(jī)制研究工作；E-mail：gengchangjian2008@163.com。

耿長建，周軼群，佟文偉，等.預(yù)應(yīng)變對(duì)GH4169合金低周疲勞行為的影響[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2015，41（5）：77-80.GENG Changjian，ZHOU Yiqun，TONG Wenwei，et al. Effect ofprestrain on lowcycle fatigue behavior ofGH4169 alloy[J].Aeroengine，2015，41（5）：77- 80.