張仕朝

(1.北京航空材料研究院， 北京 100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室， 北京 100095；3.先進高溫結(jié)構(gòu)材料科技重點實驗室， 北京 100095)

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DZ408合金低周疲勞行為

張仕朝1，2，3

(1.北京航空材料研究院， 北京 100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室， 北京 100095；3.先進高溫結(jié)構(gòu)材料科技重點實驗室， 北京 100095)

DZ408; 低周疲勞; 應(yīng)變比;平均應(yīng)力松弛

定向凝固高溫合金由于很好的綜合力學性能，被廣泛應(yīng)用航空工業(yè)中。為更好地發(fā)展及應(yīng)用定向凝固高溫合金，研究者對其組織成分及力學性能進行了研究[1-2]。DZ408合金是第一代凝固柱晶高溫合金，主要強化相為沉淀析出的γ′相，合金具有良好的力學性能和良好的鑄造性能，主要用于渦輪發(fā)動機的工作葉片和導(dǎo)向葉片材料，適用于鑄造復(fù)雜型腔的薄壁空心葉片[3-4]。渦輪葉片作為發(fā)動機的熱端部件。除了承受因高溫引起的蠕變損傷外，同時也會因承受發(fā)動機啟動、停機產(chǎn)生的交變載荷及溫度變化而引起的低周(Lowcyclefatigue，LCF)疲勞破壞,在實際服役中，主要承受非對稱循環(huán)載荷[5]，為了更好的了解DZ408合金的疲勞特性，本工作研究了DZ408合金950 ℃，1000 ℃和1050 ℃，應(yīng)變比為0.05時的低周疲勞行為，以期為葉片壽命設(shè)計提供依據(jù)。

1　試驗材料及方法

試驗材料為定向凝固高溫合金DZ408，其化學成分如表1所示。DZ408母合金在500kg的真空感應(yīng)爐中熔煉(VIM)，澆鑄成φ80mm的合金錠。定向凝固試棒在ISP2/Ⅲ-DS真空感應(yīng)爐中進行，采用快速凝固(HRS)法，制備柱晶試棒，毛坯經(jīng)熱處理后，機加工成直徑6mm，標距12mm的標準疲勞試樣，低周疲勞試驗是在MTS液壓伺服疲勞試驗機上進行。試驗用軸向應(yīng)變控制，通過石英刀口與試樣表面接觸測試標距內(nèi)的應(yīng)變，加載波形為三角波，應(yīng)變比R=εmin/εmax=0.05，試驗溫度為950 ℃，1000 ℃和1050 ℃，選取應(yīng)變幅εa(εa=(εmax-εmin)/2=Δε/2)的范圍為0.28%～1.14%。通過爐內(nèi)電阻絲輻射加熱試樣，由分布于標距附近的熱電偶控制溫度的波動，溫度波動控制在±2 ℃。試驗數(shù)據(jù)的采集由計算機完成，各個試樣均進行至試樣斷裂。試驗方法參照GB/T15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》中規(guī)定執(zhí)行。

表1　DZ408合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1　Chemical composition of DZ408 superalloy (mass fraction/%)

2　試驗結(jié)果與分析

2.1循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為

試驗過程中，對每一給定的總應(yīng)變幅記錄應(yīng)力值隨循環(huán)周次的變化情況。應(yīng)力值隨循環(huán)周次的變化(即循環(huán)應(yīng)力響應(yīng))宏觀反映了合金在不同溫度及其他試驗條件下的應(yīng)變硬化或軟化行為。圖1給出了DZ408合金在950 ℃，1000 ℃及1050 ℃下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線。由圖1(a)可以看出，950 ℃下，應(yīng)變幅為0.67%～1.14%時，材料處于循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)；應(yīng)變幅為0.48%時，在前三個循環(huán)內(nèi)存在循環(huán)硬化的現(xiàn)象，3個循環(huán)后，基本處于循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)變幅為0.43%時，前4個循環(huán)內(nèi)是一個軟化硬化狀態(tài)，四個循環(huán)后，材料處于循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)。由圖1(b)可以看出，1000 ℃下，應(yīng)變幅≥0.48%時，材料基本處于循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)；應(yīng)變幅為0.40%時，材料呈現(xiàn)微弱硬化-循環(huán)穩(wěn)定的狀態(tài)。圖1(c)為1050 ℃下的循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)：應(yīng)變幅0.38%～0.86%時，材料基本處于循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)；應(yīng)變幅為0.29%時，材料呈現(xiàn)微弱硬化-循環(huán)穩(wěn)定的狀態(tài)；應(yīng)變幅為1.10%時，材料呈現(xiàn)微弱軟化-硬化-循環(huán)穩(wěn)定的狀態(tài)。圖1中還出現(xiàn)應(yīng)力突然下降的階段，這種突然下降是由于經(jīng)過多次的循環(huán)變形，材料出現(xiàn)疲勞損傷而進入失穩(wěn)擴展的階段。應(yīng)變硬化現(xiàn)象與位錯間相互作用有關(guān)，隨著循環(huán)變形的進行，形成新的位錯，導(dǎo)致位錯密度增加，位錯間相互排斥，使位錯運動受阻，因此應(yīng)力隨循環(huán)變形的增加而不斷增大[6-7]。由于疲勞變形時對應(yīng)的塑性分量很小，以至于位錯增值速率與位錯湮滅速率之間很容易達到平衡，使得位錯增殖引起的硬化效應(yīng)與位錯湮滅產(chǎn)生的軟化效應(yīng)彼此抵消，合金呈現(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定的狀態(tài)[8-9]。

圖1　DZ408合金不同溫度下的應(yīng)力響應(yīng)曲線Fig.1　Cyclic stress response curves for DZ408 superalloy at different temperatures(a)950 ℃；(b)1000 ℃；(c)1050 ℃

2.2平均應(yīng)力松弛

在循環(huán)塑性變形時，如果平均應(yīng)變?yōu)檎?，則可能發(fā)生塑性安定(Plasticshake-down)。循環(huán)變形時，平均應(yīng)力降低，甚至可能降到零；這種應(yīng)力松弛之所以可能發(fā)生，是因為活躍的循環(huán)滑移引起了位錯重排[10]。圖2給出了950 ℃，1000 ℃和1050 ℃下平均應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化曲線，由圖2可以看出，隨著循環(huán)周次的增加，平均應(yīng)力絕對值逐漸減小，直到接近于0；應(yīng)變幅越大，首循環(huán)的平均應(yīng)力越小，應(yīng)力松弛速率越大；應(yīng)變幅越小，首循環(huán)的平均應(yīng)力越大，應(yīng)力松弛速率越?。徽f明DZ408合金在該試驗條件下存在塑性安定(Plasticshake-down)現(xiàn)象。從圖2還可以看出，隨著溫度的升高，平均應(yīng)力松弛的速率加快。

圖2　DZ408合金不同溫度下平均應(yīng)力響應(yīng)曲線Fig.2　Mean stress response curves for DZ408 superalloy at different temperatures(a)950 ℃；(b)1000 ℃；(c)1050 ℃

2.3Masing特性

Masing特性是材料疲勞過程中的特性，符合Masing特性的材料，在應(yīng)變疲勞試驗過程中，不同應(yīng)變幅的應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線移至最低點重疊時，其上部應(yīng)當重合。不符合Masing特性的材料稱為非Masing特性材料。

圖3給出了950 ℃，1000 ℃和1050 ℃下半壽命的應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線，將起點平移至原點，不同溫度下循環(huán)遲滯回線的上部基本重合，說明DZ408在試驗溫度下基本符合Masing特性。

圖3　不同溫度下 Masing 特性曲線Fig.3　Masing curves at different temperatures(a)950 ℃；(b)1000 ℃；(c)1050 ℃

2.4溫度對應(yīng)變壽命的影響

圖4　溫度對疲勞壽命的影響Fig.4　Low cycle fatigue at different temperatures

溫度的升高會對材料的低周疲勞性能產(chǎn)生一系列的影響，因此有必要研究溫度對疲勞性能的影響，進而了解材料的抗疲勞性能。圖4為DZ408合金不同溫度下的低周疲勞性能。由圖4可以看出，材料的低周疲勞壽命不僅取決于外加總應(yīng)變幅的大小，而且與溫度密切相關(guān)?？傮w來說，加載應(yīng)變幅值越大，疲勞壽命越低。從能量的角度來說，材料低周疲勞破壞時所需要的能量是一定的。循環(huán)滯后環(huán)的面積代表材料塑性變形時所作的功，即塑性應(yīng)變能，其寬窄或大小說明材料抗塑性變形的能力高低。滯后環(huán)中的面積是每次循環(huán)所做功或能量的損失。在材料疲勞破壞所需的能量一定的情況下，滯后環(huán)的面積越大將導(dǎo)致材料疲勞破壞的疲勞壽命越短(見圖3)。在加載總應(yīng)變范圍內(nèi)，壽命隨溫度的升高而降低，材料的疲勞壽命隨溫度的升高而降低的行為通常是和時間相關(guān)的損傷有關(guān)。一般在高溫時，與時間相關(guān)的損傷主要有兩種，即蠕變與氧化，前者斷口一般呈沿晶斷裂的特征，后者是因為它加快了穿晶型裂紋萌生和擴展的速率。

2.5壽命預(yù)測模型

經(jīng)典的Manson-Coffin公式能夠描述應(yīng)變幅與疲勞失效反復(fù)數(shù)2Nf之間的關(guān)系，但該公式?jīng)]有考慮平均應(yīng)變或平均應(yīng)力的影響；為了考慮平均應(yīng)變的影響，Smith，Watson，Topper等[11]對Manson-Coffin公式進行了修正，得到了SWT模型，見下式：

(1)

(2)

式(2)中a，b為待定參數(shù)，用式(2)對不同溫度下的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果見圖5，得到不同溫度下的修正SWT關(guān)系式：

(3)

(4)

(5)

圖5　不同溫度下疲勞壽命與SWT參數(shù)σmax)的關(guān)系Fig.5　Low cycle fatigue life vs SWT parameter σmax) at different temperatures(a)950 ℃；(b)1000 ℃；(c)1050 ℃

相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，說明修正的SWT模型能很好的預(yù)測DZ408合金測試溫度范圍內(nèi)的試驗結(jié)果。

分析修正SWT模型參數(shù)a，b與溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者與溫度均成線性關(guān)系，見圖6和圖7，將它們的關(guān)系式帶入修正的SWT模型，得到包含溫度影響的修正SWT關(guān)系式：

(6)

圖6　參數(shù)a與溫度的關(guān)系Fig.6　Relationship between a and temperature

圖7　參數(shù)b與溫度的關(guān)系Fig.7　Relationship between b and temperature

3　結(jié)論

(1)當平均應(yīng)變?yōu)檎龝r，DZ408合金在測試溫度范圍內(nèi)會發(fā)生應(yīng)力松弛的現(xiàn)象，DZ408合金在該試驗條件下存在塑性安定(plasticshake-down)現(xiàn)象。

(2)DZ408合金在950 ℃，1000 ℃和1050 ℃，應(yīng)變比為0.05條件下具有Masing特性。

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Low-cycle Fatigue of Directionally Solidified Superalloy DZ408

ZHANGShichao1,2,3

(1.BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China；2.BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China；3.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonAdvancedHighTemperatureStructuralMaterials,Beijing100095,China)

Thetotalstrain-controlledlowcyclefatigue(LCF)behaviorsofdirectionallysolidified(DS)superalloyDZ408at950 ℃，1000 ℃and1050 ℃forR=0.05wereinvestigated.TheresultsofLCFtestsindicatethatthemeanstressrelaxationisoccurredunderasymmetricstraining.Therateofmeanstressrelaxationisincreasedwiththeincreaseoftemperatureandstrainamplitude.ThealloyhasMassingcharacteristicat950 ℃，1000 ℃and1050 ℃forR=0.05.AlltheLCFdataobtainedundervarioustemperaturesarewellcorrelatedbythemodifiedSWTapproachforlifetimeprediction,andalsotherelationshipbetweentemperatureandparameterofmodifiedSWTmodelareobtained.

DZ408DSsuperalloy;lowcyclefatigue;strainratio;meanstressrelaxation

2015-06-12；

2015-11-02

張仕朝(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事材料疲勞方面的研究，(E-mail)lyshichao@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.1.016

TG132.33

A

1005-5053(2016)01-0093-05