張寶寧，袁 超，郭建亭，秦鶴勇，趙光普

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GH4742合金疲勞裂紋擴展行為

張寶寧1，袁 超1，郭建亭1，秦鶴勇2，趙光普2

(1. 中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016；2. 鋼鐵研究總院高溫材料研究所，北京 100081)

研究GH4742合金在室溫、700 ℃及750 ℃的疲勞裂紋擴展行為。分析溫度和應(yīng)力強度因子對疲勞裂紋擴展壽命與速率的影響，利用掃描電鏡觀察不同溫度下的疲勞裂紋擴展斷口。采用背散射電子衍射(EBSD)技術(shù)分析合金裂紋擴展的晶體學(xué)機制。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，合金的裂紋擴展壽命降低，裂紋擴展速率增加，沿晶斷裂特征更明顯。應(yīng)力強度因子越大，裂紋擴展速率越大。在原始大變形晶粒中裂紋以穿晶方式沿著小角度晶界擴展，裂紋擴展到再結(jié)晶晶界時以沿晶擴展為主，其擴展方式取決于相鄰晶粒的面間角和取向差。

鎳基高溫合金；疲勞裂紋擴展；斷口；微觀機制

疲勞裂紋擴展速率是衡量裂紋構(gòu)件抗疲勞性能的重要指標(biāo)，也是渦輪盤等部件的損傷容限設(shè)計和壽命預(yù)測的重要指標(biāo)之一，對于評估構(gòu)件的安全可靠性和失效分析等有重要意義。影響合金疲勞裂紋擴展速率的因素很多，主要分為兩個方面：外部因素和內(nèi)部因素。外部因素指試件或構(gòu)件的實驗條件和服役條件，如環(huán)境溫度、頻率、應(yīng)力比、保載時間等因素[1?6]。內(nèi)部因素指材料本身的物理性質(zhì)和組織狀態(tài)，如合金的彈性模量、強度、晶粒尺寸、強化相種類、數(shù)量和形貌等顯微組織[7?8]。目前，GH4742合金應(yīng)用于某燃?xì)廨啓C的一級高壓渦輪盤，高壓渦輪盤長期服役于高溫、高離心力等復(fù)雜條件下，其疲勞裂紋擴展性能對其安全服役至關(guān)重要。而國內(nèi)主要研究了GH4742合金的熱變形行為[9]、熱處理對合金組織、力學(xué)性能的影響等方面[10]，探索均勻化處理制度和變形條件對GH4742合金組織與性能的影響，致力于尋找合金的最佳變形方法和條件，解決難變形合金GH4742合金的等溫變形熱加工問題，而GH4742合金的疲勞性能國內(nèi)外報道甚少。因此，本文作者主要研究溫度對GH4742合金的疲勞裂紋擴展性能的影響，為渦輪盤的安全可靠應(yīng)用和壽命預(yù)測提供實驗基礎(chǔ)和理論 支持。

1 實驗

實驗材料取自標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)渦輪盤輪緣弦向，根據(jù)GB/T 6398?2000規(guī)定的金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法加工緊湊拉伸試樣，寬度=30 mm，厚度=7.6 mm，試樣示意圖見圖1。

圖1 疲勞裂紋擴展試樣示意圖

實驗分別在室溫、700 ℃及750 ℃ 3個溫度進行，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，每個溫度下測試3個樣品。疲勞裂紋擴展實驗在MTS810型疲勞機上完成，控制方法采用的是恒力幅測定材料的疲勞裂紋擴展速率d/d，波形為正弦波，加載頻率為10 Hz，應(yīng)力比為0.1。本實驗中采集的數(shù)據(jù)是裂紋擴展階段中穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)的裂紋長度和裂紋擴展速率d/d，即d/d在 1×10?5~1×10?2 mm/cycle范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)處理采用七點遞增多項式法[11]。對于3個溫度下合金的疲勞裂紋擴展斷口進行掃描分析。根據(jù)GH4742合金使用溫度，在700 ℃下進行了第四個未拉斷試樣的疲勞裂紋擴展實驗，與之前的實驗條件一致，對于未拉斷的疲勞裂紋擴展試樣采用EBSD技術(shù)分析其裂紋擴展晶體學(xué)機制。利用Hitachi S?3400N型掃描電鏡附帶的EBSD系統(tǒng)和Channel-5軟件包對樣品進行晶體學(xué)表征 分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 疲勞裂紋擴展性能

疲勞裂紋擴展速率d/d是反映帶裂紋的零構(gòu)件抗疲勞斷裂的一個重要指標(biāo)，也是估算構(gòu)件剩余疲勞壽命必不可少的參數(shù)。完整的疲勞裂紋擴展速率曲線，包括三部分：近門檻區(qū)、裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)和裂紋快速擴展區(qū)(瞬斷區(qū))。Paris公式只適用于穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)，通常采用帕里斯(Paris)公式[12?13]來表征穩(wěn)態(tài)擴展階段疲勞裂紋擴展速率。

Pairs用應(yīng)力強度因子幅來定量描述疲勞裂紋擴展速率，提出的疲勞裂紋擴展速率表達(dá)式：

d/d=(Δ)(1)

式中：是材料性能常數(shù)。

疲勞裂紋擴展的一般規(guī)律常用d/d在雙對數(shù)坐標(biāo)下的裂紋擴展速率曲線表示，對式(1)兩邊取對數(shù)，得到：

lg(d/d)=lg+lg(Δ) (2)

式(2)在雙對數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系，用線性回歸方法計算出GH4742合金疲勞裂紋擴展速率的表達(dá)式見表1。材料常數(shù)和值的變化隨溫度的升高呈相反的變化趨勢，溫度越高，值越大，值減小。

根據(jù)Paris公式擬合得到材料常數(shù)和，和CT試樣有效裂紋長度處應(yīng)力強度因子范圍Δ計算 式[11]：

表1 GH4742合金疲勞裂紋擴展速率表達(dá)式

式中：=/，/≥0.2的范圍有效；為有效裂紋長度；為試樣寬度；為試樣厚度。

將式(3)代入Pairs公式可得：

對式(5)積分有：

(6)

因此，得到合金構(gòu)件的疲勞壽命積分表達(dá)式，進一步預(yù)測構(gòu)件的剩余疲勞壽命。

圖2和圖3所示分別是室溫、700 ℃及750 ℃ 3個溫度下的合金疲勞擴展壽命及疲勞裂紋擴展速率曲線。由圖2可以看出裂紋擴展規(guī)律基本一致，合金的裂紋擴展壽命隨著溫度升高而降低。在整個穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)裂紋擴展速率隨應(yīng)力強度因子Δ的增大而增大，如圖3所示。應(yīng)力強度因子Δ的跨度越大，說明合金的抗疲勞裂紋擴展性能越優(yōu)異。GH4742合金室溫下應(yīng)力強度因子Δ在10.5~67.4 MPa，700 ℃下應(yīng)力強度因子Δ在12.2~65.9 MPa，750 ℃下應(yīng)力強度因子Δ在13.3~56.7 MPa。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，溫度越高，合金的疲勞壽命越低。在室溫條件下，合金的疲勞裂紋擴展壽命是105數(shù)量級，700 ℃和750 ℃溫度下，合金的疲勞裂紋擴展壽命是104數(shù)量級。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在整個穩(wěn)態(tài)區(qū)，3個溫度下的裂紋擴展變化趨勢相近，700℃的裂紋擴展速率與750 ℃的裂紋擴展速率更接近。隨著溫度升高，應(yīng)力強度因子Δ越大，裂紋擴展速率越大。在低應(yīng)力強度因子Δ(Δ在15~50 MPa·m0.5)范圍內(nèi)，700與750 ℃的裂紋擴展速率比室溫的裂紋擴展速率高很多，但在高應(yīng)力強度因子Δ(Δ在50~65 MPa·m0.5)范圍內(nèi)，700與750 ℃的裂紋擴展速率比室溫的裂紋擴展速率略高。即在低應(yīng)力強度因子溫度對裂紋擴展速率的影響比高應(yīng)力強度因子對裂紋擴展速率的影響要大。

圖2 溫度對GH4742合金的a?N曲線的影響

圖3 溫度對GH4742合金裂紋擴展速率曲線的影響

裂紋擴展的本質(zhì)是外界加載條件提供的驅(qū)動力超過了材料的內(nèi)在屬性所具有的裂紋擴展抗力。加載的應(yīng)力強度因子Δ則是裂紋擴展的驅(qū)動力。當(dāng)應(yīng)力強度因子Δ越大，裂紋前沿的加載應(yīng)力越大，裂紋尖端張開量大，促使裂紋擴展更快。因此，應(yīng)力強度因子Δ越大，裂紋擴展速率越大。溫度對疲勞裂紋擴展速率的影響比較復(fù)雜。溫度越高，合金可能會發(fā)生高溫氧化和蠕變，而且合金的強度和彈性模量都會變化，這些因素都會影響疲勞裂紋擴展速率。一般材料的彈性模量隨著溫度的升高而降低，GH4742合金室溫的彈性模量高于700和750 ℃的彈性模量(見表1)。裂紋擴展速率隨著彈性模量的的升高而下降，彈性模量對裂紋擴展速率的影響可以理解為：裂紋擴展必須是裂紋尖端張開，裂紋尖端張開引起裂紋尖端的鈍化，為了達(dá)到一定的張開量，彈性模量越大的材料需要施加更大的外加載荷，因此高彈性模量的材料具有高的裂紋擴展抗力，即在相同的外加應(yīng)力強度因子Δ條件下材料具有較低的裂紋擴展速率。隨著溫度升高，材料的強度下降，在同樣載荷下，裂紋尖端前沿的塑性變形增加，循環(huán)變形引起裂紋尖端的疲勞損傷加重，導(dǎo)致疲勞裂紋擴展速率增加。溫度升高，晶界強度降低，也是裂紋擴展速率增大的原因之一。此外，溫度越高，氧進入到裂紋擴展前沿與合金中的易氧化元素Ti、Al、Cr結(jié)合導(dǎo)致氧化越嚴(yán)重，合金的裂紋前沿脆化裂紋擴展速率增加。但另一種可能是，溫度升高，裂紋前沿產(chǎn)生氧化物，氧化物使裂紋尖端張開量提前閉合而鈍化，裂紋擴展速率下降。

應(yīng)力強度因子Δ和溫度共同對裂紋擴展速率產(chǎn)生影響。在低應(yīng)力強度因子范圍內(nèi)(Δ在15~50 MPa·m0.5區(qū)間)，裂紋尖端的載荷相對小，擴展速率慢，溫度所影響的材料內(nèi)在因素(彈性模量、材料強度)對裂紋擴展速率占主導(dǎo)作用。在高應(yīng)力強度因子范圍內(nèi)(Δ在55~65 MPa·m0.5區(qū)間)，應(yīng)力強度因子Δ對裂紋擴展速率占主導(dǎo)作用，溫度所影響的材料內(nèi)在因素(彈性模量、材料強度)對裂紋擴展速率作用較小(見 圖3)。

2.2 疲勞裂紋擴展斷口形貌

圖4~6所示為GH4742合金在室溫、700 ℃和750 ℃下的疲勞裂紋擴展斷口形貌。疲勞裂紋斷口可以分為疲勞裂紋近門檻區(qū)、穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)(低應(yīng)力強度因子Δ和高應(yīng)力強度因子Δ)和瞬斷區(qū)。由圖4可知，室溫下合金疲勞裂紋擴展近門檻區(qū)和裂紋擴展區(qū)都有明顯的疲勞條紋。在擴展近門檻區(qū)，疲勞條紋細(xì)，疲勞條紋間距小，說明裂紋擴展速率低(見圖4(a))。低應(yīng)力強度因子Δ區(qū)域，疲勞條紋間距增大，二次裂紋增多，釋放了裂紋尖端前沿的能量(見圖4(b))。應(yīng)力強度因子Δ增大，疲勞條紋由韌性疲勞條紋開始轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云跅l紋，疲勞條紋之間產(chǎn)生大量二次裂紋(見圖4(c))，沿晶斷裂特征不明顯。裂紋擴展階段屬于純疲勞擴展機制。研究發(fā)現(xiàn)[14]，裂紋擴展有4種擴展機制：條帶機制、微孔連接、微區(qū)解理和晶間分離。瞬斷區(qū)斷口粗糙，存在大量的韌窩，韌窩里有破碎的碳化物質(zhì)點(見圖4(d)，(e))。

700 ℃的疲勞裂紋擴展斷口由穿晶斷裂向穿晶沿晶混合斷裂方式轉(zhuǎn)變。在近門檻區(qū)和低應(yīng)力強度因子Δ區(qū)裂紋有明顯的沿晶擴展特征，疲勞條紋區(qū)變少，沿晶界處有二次裂紋(見圖5(a)和5(b))。應(yīng)力強度因子Δ越大，疲勞條紋間距增大，二次裂紋增多，還存在疲勞臺階(見圖5(c)和5(d))。瞬斷區(qū)斷口較室溫斷口更加不平整，存在韌窩，韌窩中有破碎的碳化物(見圖5(e)和5(f))。

圖4 GH4742合金室溫疲勞裂紋擴展斷口形貌

750 ℃的疲勞裂紋擴展斷口與700 ℃類似，在裂紋擴展區(qū)存在明顯的沿晶斷裂特征(見圖6(a)和6(b))，沿晶斷裂區(qū)域更大。應(yīng)力強度因子Δ越大疲勞條紋間距越大，裂紋擴展速率d/d越大。沿晶二次裂紋更多(見圖6(c))，存在疲勞臺階。瞬斷區(qū)斷口表面粗糙，有韌窩，韌窩里有破碎的碳化物(見圖6(d)和6(e))。

在斷口的近門檻區(qū)，疲勞條紋細(xì)，疲勞條紋間距小，說明裂紋擴展速率低。應(yīng)力強度因子Δ增大，裂紋尖端擴展的驅(qū)動力越大，疲勞條紋間距增大，裂紋擴展速率增大。二次裂紋的產(chǎn)生可以釋放裂紋擴展前沿的能量。隨著溫度升高，裂紋快速擴展區(qū)(瞬斷區(qū))的粗糙度增大，出現(xiàn)微孔。斷口粗糙度增大是由于在高溫下裂紋沿晶界偏轉(zhuǎn)造成的[15]，微孔是由于在高的應(yīng)力強度因子Δ下碳化物、一次′相破碎或被拉出產(chǎn)生大量分散的孔洞[15]。溫度越高，氧化越嚴(yán)重(見圖5(a)，6(a))，疲勞條紋不明顯，沿晶斷裂特征更明顯。溫度升高，晶界呈薄弱環(huán)節(jié)，易發(fā)生晶界氧化致脆，裂紋易沿晶界擴展。在3個溫度下都為混合斷裂方式。

2.3 疲勞裂紋擴展EBSD分析

為了研究合金的疲勞裂紋擴展的晶體學(xué)機制，定性和定量地研究了合金的形變組織，包括晶粒取向差、晶界分布、應(yīng)變分布等，首先必須清晰的分辨合金的晶界。由于GH4742合金的組織復(fù)雜性，有非常細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，其再結(jié)晶晶粒的晶界、孿晶界和小角度晶界用常規(guī)的金相侵蝕法難以分辨。EBSD技術(shù)可以獲得樣品中不同晶粒的取向，根據(jù)取向信息重構(gòu)出對應(yīng)的微觀形貌。取向差分布與位置的關(guān)系可以得到不同位置處界面特征信息。通過每個取向計算相鄰晶粒間的取向差，可確定該取向位置是在晶內(nèi)還是晶界，是小角度晶界還是大角度晶界[16]。因此，采用EBSD技術(shù)分析疲勞裂紋的擴展路徑及晶體學(xué)機制。

圖5 GH4742合金700 ℃疲勞裂紋擴展斷口形貌

圖7所示是合金的疲勞裂紋的擴展形貌及其IPF取向分布圖。由圖7(a)所示明顯可見不同取向的晶粒，圖7(b)所示是晶粒取向顏色碼。不同的顏色代表不同取向的晶粒，清晰可見細(xì)小的等軸晶晶界和孿晶界。由于局部裂紋寬度較寬，部分晶粒尺寸與裂紋寬度差不多，難以分清裂紋擴展的路徑。在大的變形晶粒中以穿晶擴展為主，在細(xì)小晶粒中可見沿晶穿晶混合擴展，以沿晶擴展為主。

金屬材料晶體學(xué)中，根據(jù)相鄰晶粒之間的位向差角的大小不同可將晶界分為兩類：相鄰晶粒之間的位向差小于10°的晶界稱為小角度晶界；相鄰晶粒之間的位向差大于10°的晶界稱為大角度晶界。一般來說，多晶體中的晶界多屬于大角度晶界。圖8所示是合金的晶粒取向差分布圖。由圖8可知，裂紋尖端附近的晶粒取向差在0°~10°的小角度晶界超過64%，大角度晶界在10°~58°幾乎分布均勻，而在取向差60°的孿晶界大約占13%。由圖9的晶界分布圖可見小角度晶界主要分布在裂紋附近。裂紋附近的小角度晶界密度高于其他地方的，是因為裂紋擴展過程中，在裂紋兩側(cè)附近造成局部塑性變形，位錯密度增加，位錯堆垛產(chǎn)生小角度晶界[17]。這與黃亞敏等[18]的觀點一致，小角度晶界代表位錯，其分布顯示了局部取向差梯度。GH4742合金的晶粒包括原始變形晶粒、亞晶粒和再結(jié)晶晶粒。合金晶粒本身內(nèi)部包含大量的小角度晶界，圖10可見標(biāo)準(zhǔn)態(tài)合金組織中小角度晶界主要分布在大的變形晶粒和亞晶粒中，所以研究此合金的裂紋擴展路徑與一般的等軸晶組織合金的裂紋擴展不同。

圖6 GH4742合金750 ℃疲勞裂紋擴展斷口形貌

圖7 GH4742合金疲勞裂紋的擴展形貌及其取向分布圖

圖8 GH4742合金晶粒取向差分布圖

圖9 GH4742合金晶界分布圖

圖10 標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)GH4742合金的晶界分布圖

ZHAI等[19?21]都研究了裂紋擴展過程中遇到晶界，提出了裂紋擴展偏轉(zhuǎn)模型，如圖11所示。裂紋擴展越過晶界時，裂紋的進一步擴展主要受偏轉(zhuǎn)角和扭折角兩個參數(shù)控制。由于兩個相鄰晶粒1和2之間存在取向差，從晶粒1擴展進入下一個晶粒2時，裂紋可以從晶粒1的斷裂面偏轉(zhuǎn)角后沿面繼續(xù)向前擴展，或者沿軸線扭轉(zhuǎn)一定的扭折角沿面向前擴展。裂紋擴展是通過偏轉(zhuǎn)還是扭轉(zhuǎn)主要取決于裂紋擴展時的兩相鄰晶粒的晶界平面發(fā)生偏轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)時的能量大小。但對于多晶材料晶界平面的確定比較困難，雷家峰等[22]在研究鈦合金的疲勞短裂紋擴展時利用晶界兩側(cè)裂紋的面間角概念提出了疲勞短裂紋擴展的晶體學(xué)模型，他認(rèn)為晶界兩側(cè)的裂紋面間角(相鄰兩個晶粒內(nèi)裂紋面即活動滑移面間的夾角)越小，裂紋擴展越過晶界的阻力就越小，更有利于裂紋穿晶擴展。在GH4742合金中，裂紋擴展遇到再結(jié)晶晶界時明顯可見裂紋擴展發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，如圖9中區(qū)域所示。再結(jié)晶晶界屬于大角度晶界，由圖9也可見以沿晶擴展為主。不考慮氧化，僅從晶體學(xué)角度研究，其擴展方式取決于相鄰晶粒的面間角和取向差大小。原始大變形晶粒中存在大量的小角度晶界，裂紋擴展到大變形晶粒以穿晶方式擴展，主要沿著小角度晶界的位置擴展(由圖9和圖10可知)。因此，裂紋擴展遇到大角度晶界時，裂紋擴展路徑會發(fā)生偏轉(zhuǎn)沿著能量低的路徑擴展，遇到小角度晶界時主要沿著小角度晶界擴展。

位錯界面主要是小角度晶界，小角度晶界的密度及其分布能夠反映微區(qū)應(yīng)變程度及其分布[23]。EBSD分析軟件Channel-5可以利用顏色分布清晰的表示裂紋附近的局部取向梯度，也稱應(yīng)變分布圖，如圖12所示。局部取向梯度反映了裂紋附近處的晶格畸變程度，越靠近裂紋處取向差分布越大，應(yīng)變程度越大。

圖11 裂紋遇到晶界擴展進入下一個晶粒時發(fā)生偏轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)的模型圖[20]

圖12 裂紋附近應(yīng)變分布圖

3 結(jié)論

1) 隨著溫度的升高，GH4742合金的裂紋擴展壽命降低，裂紋擴展速率增加。在低應(yīng)力強度因子(Δ在15~50 MPa·m0.5范圍內(nèi))溫度對裂紋擴展速率的影響比高應(yīng)力強度因子(Δ在50~65 MPa·m0.5范圍內(nèi))的影響大。

2) 溫度越高，疲勞裂紋斷口的沿晶擴展特征越明顯，擴展階段典型的疲勞條紋脆性增大和二次裂紋增多，瞬斷區(qū)越粗糙，主要是韌窩斷裂特征。同一溫度下，應(yīng)力強度因子Δ越大，疲勞條紋間距增大，二次裂紋越多。

3) 采用EBSD技術(shù)分析，GH4742合金中小角度晶界為主。大變形晶粒中存在大量的小角度晶界，裂紋擴展到大變形晶粒以穿晶方式沿著小角度晶界擴展。裂紋擴展到再結(jié)晶晶界時明顯可見裂紋擴展發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，其擴展方式取決于相鄰晶粒的面間角和取向差大小。

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(編輯 王 超)

Fatigue crack growth behavior of GH4742 alloy

ZHANG Bao-ning1, YUAN Chao1, GUO Jian-ting1, QIN He-yong2, ZHAO Guang-pu2

(1. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China?2. High Temperature Materials Research Institute, Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China)

The crack propagation behavior of GH4742 alloy was studied respectively at room temperature, 700 ℃ and 750 ℃. Fatigue fracture was observed by scanning electron microscopy (SEM). Effects of temperature and stress intensity factor (Δ) on crack growth life and rate were studied. The electron back scattering diffraction (EBSD) technique was applied to investigate the crystallographic mechanism of crack propagation. The results show that with the increase of temperature, crack propagation life of the alloy decreases and crack propagation rate increases as well as the intergranular fracture characteristics is more obvious. Crack growth in the original large deformation grain is in a transgranular manner along a low angle boundary. While crack meets the recrystallized grain boundaries, the mode of fracture is mainly the intergranular expansion and the way of crack growth depends on the magnitude of the interfacial angle and the misorientation of adjacent grain plane.

nickel-based superalloy? fatigue crack growth? fracture; micromechanism

2016-06-17; Accepted date: 2016-11-25

YUAN Chao; Tel: +86-24-23971930; E-mail: ychao@imr.ac.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.09.09

1004-0609(2017)-09-1823-09

TG132.3

A

2016-06-17；

2016-11-25

袁 超，研究員，博士；電話：024-23971930；E-mail：ychao@imr.ac.cn