(東方汽輪機有限公司材料研究中心 長壽命高溫材料國家重點實驗室, 德陽 618000)

Mar-M247鎳基高溫合金是美國馬丁公司研制的第一代定向凝固高溫合金材料，等軸晶組織使其在高溫下力學性能非常好，常被用于制造等軸晶鑄件。正是因為Mar-M27鎳基高溫合金具有優(yōu)良的可鑄造性和高溫性能，以及良好的抗蠕變和抗熱腐蝕性能，其被廣泛用于制造工作溫度在 1 000 ℃左右的航空發(fā)動機和重型燃氣輪機熱端部件(如動葉片和靜葉片)。Mar-M247鎳基高溫合金中的 γ′相的體積分數(shù)高達62%，晶界內(nèi)的 γ′強化相、在凝固過程中形成的 γ+γ′ 共晶組織和在晶界析出的不連續(xù)的顆粒狀M23C6碳化物的存在，增強了Mar-M247鎳基高溫合金的高溫蠕變強度，提升了Mar-M247鎳基高溫合金的力學性能。但是同時產(chǎn)生的脆性 MC 碳化物將會成為裂紋源，并為裂紋的傳播和擴展提供通道，從而影響其低溫蠕變伸長率等指標[1]。

屈服強度、規(guī)定塑性延伸強度和抗拉強度是工程中常用的靜強度安全校核指標。一般情況下，隨著試驗溫度的提高，金屬材料的抗拉強度、屈服強度、規(guī)定塑性延伸強度會降低，并且抗拉強度的下降比例要大于屈服強度或規(guī)定塑性延伸強度的，即屈強比會增加；鑒于屈強比的變化會影響金屬材料的低周疲勞壽命，屈強比增加會降低材料的強度安全余量[2]。因此，準確測試金屬材料在高溫條件下的強度對零件的安全設計和評估尤為關鍵。

唐葉金、湛欣等[3-4]通過試驗分析了室溫下拉伸速率對屈服強度的影響，結果表明拉伸速率越高屈服強度越高；劉文鵬等[5]則分析了低碳鋼室溫拉伸試驗過程中不同控制模式對試驗結果的影響；李和平[6-7]對現(xiàn)行的GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》中存在的疑問進行了分析討論，并提出相應的建議。

筆者根據(jù)產(chǎn)品的要求，測試了不同拉伸速率下Mar-M247鎳基高溫合金的高溫強度，分析討論了拉伸速率對其高溫強度的影響。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

試驗選取了同一熔煉爐號并且同一熱處理爐號的等軸晶Mar-M247鎳基高溫合金，該材料的化學成分(質量分數(shù))為0.16%C，8.2%Cr，0.6%Co，0.6%Mo，10.0%W,3.0%Ta，1.0%Ti，5.5%Al，0.20%B，0.09%Zr，1.5%Hf,余Ni。表1為該批試料的室溫拉伸試驗結果。室溫下拉伸試驗的橫梁位移速率為：屈服強度以前階段0.15 mm·min-1，屈服強度以后階段1.5 mm·min-1。

表1 Mar-M247鎳基高溫合金的室溫拉伸試驗結果Tab.1 Tensile test results of Mar-M247 nickel base superalloy at room temperature

1.2 試驗方法

根據(jù)GB/T 228.2—2015 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：高溫試驗方法》將試料加工成直徑為6.0 mm的螺紋頭部的圓柱狀試樣，平行長度為30 mm。

采用新三思CMT5105型微機控制電子萬能試驗機，高溫爐采用3段控溫。試驗溫度為900 ℃，保溫時間30 min。

試驗采用試樣平行長度估計應變速率的方法。試驗分為5組，A-D組的試樣數(shù)量為3件，E組試樣數(shù)量為2件，各組的試驗參數(shù)如表2所示。拉伸速率采用根據(jù)GB/T 228.1—2010對平行長度估計應變速率的計算方法，結合GB/T 228.2—2015對拉伸速率的要求，高溫拉伸試驗過程中屈服強度以前階段選取了0.15和0.5 mm·min-1兩種試驗速率，屈服強度以后階段選取了0.15，0.5，0.6，1.5和6.0 mm·min-1等5種拉伸速率。

表2 Mar-M247鎳基高溫合金的高溫拉伸試驗參數(shù)Tab.2 Test parameters of Mar-M247 nickel base superalloy at elevated temperature

2 試驗結果及討論

2.1 試驗結果

由于該Mar-M247鎳基高溫合金試驗結果處于鑄造后經(jīng)過熱處理的狀態(tài)，因此在相同試驗參數(shù)下試驗結果存在一定的分散度。為減少試樣本身的因素對試驗結果的影響，采用各組的試驗結果平均值來分析拉伸速率對抗拉強度的影響，試驗結果見表3。各組平均試驗結果表明，隨著屈服強度以后階段拉伸速率的提高，抗拉強度增高；斷后伸長率隨著屈服強度以后階段拉伸速率的提高先增加后降低。

表3 Mar-M247鎳基高溫合金的高溫拉伸試驗結果Tab.3 Tensile test results of Mar-M247 nickel base superalloy at elevated temperature

圖1～圖5分別是A-E組試驗參數(shù)下典型的拉伸曲線，其中A, E兩組的屈服強度以前階段與屈服強度以后階段的拉伸速率相同，整個曲線很光滑；B, C, D組的拉伸曲線中由于兩個階段速率不同，速率變化引起了曲線斜率的突變。

圖1 A組試驗參數(shù)下的拉伸曲線Fig.1 Tensile curve under group A test parameters

圖2 E組試驗參數(shù)下的拉伸曲線Fig.2 Tensile curve under group E test parameters

圖3 B組試驗參數(shù)下的拉伸曲線Fig.3 Tensile curve under group B test parameters

圖4 C組試驗參數(shù)下的拉伸曲線Fig.4 Tensile curve under group C test parameters

圖5 D組試驗參數(shù)下的拉伸曲線Fig.5 Tensile curve under group D test parameters

2.2 分析討論

由圖1～圖5的拉伸曲線可見，Mar-M247鎳基高溫合金在高溫拉伸過程中沒有明顯的屈服現(xiàn)象。本次對比分析均采用了GB/T 228.2—2015中的A方法，并根據(jù)該標準中第10.3.2款和第10.3.4款的要求引用了GB/T 228.1—2010中相應條款的規(guī)定，則可根據(jù)應變速率和試樣平行長度確定橫梁位移速率，鑒于試驗在相同試驗機上進行，故忽略了試驗機柔度的影響。根據(jù)試驗方法和試樣尺寸計算出屈服強度以前階段的橫梁位移速率為(0.126±20%) mm·min-1(標準推薦的速率)或(0.45±20%) mm·min-1，測試屈服強度以后階段的橫梁位移速率為(0.126±20%) mm·min-1或(0.126±20%) mm·min-1或(2.52±20%) mm·min-1(標準推薦的速率)或(12±20%) mm·min-1。因此，針對Mar-M247鎳基高溫合金高溫拉伸試驗的參數(shù)設置中除D組的抗拉強度測定速率不在標準要求范圍內(nèi)之外，其他各組的速率均滿足標準要求。

張俊平等[8]研究了溫度及應變速率對超塑性鋼拉伸性能的影響，分析了拉伸過程中的各個階段彈/塑性變形的機制，對于彈性極限到抗拉強度之間的塑性階段主要是由位錯移動引起的塑性變形。張俊善[9]在高溫下位錯運動的基本理論中分析了高溫蠕變狀態(tài)下位錯回復速率，該速率遠遠小于高溫拉伸條件下位錯形成速率。而金屬材料的回復速率與時間和溫度有密切的關系，在相同的試驗溫度和相近的試驗時間條件下，材料的位錯回復速率應是相當?shù)模覍υ囼灲Y果的影響很小。0.15 mm·min-1速率的A,B,C,D組的規(guī)定塑性延伸強度遠低于0.5 mm·min-1速率的E組的，A組的抗拉強度也遠低于E組的。說明在在恒定的應變速率條件下，速率越高位錯形成速度、數(shù)量和堆積程度也越高，表現(xiàn)為強度越高。

拉伸速率增加越大對Mar-M247鎳基高溫合金抗拉強度產(chǎn)生的影響也越大，尤其是非恒定的拉伸速率等情況下表現(xiàn)尤為突出。雖然從圖3～圖5中沒有觀察到GB/T 228.1—2010中應變速率突然增加時的應力-應變行為，但通過對圖1、圖2與圖3～圖5的拉伸曲線對比發(fā)現(xiàn)，應變速率突然增加后，曲線不僅存在明顯的拐點，還存在與彈性變形階段斜率相近的斜線段，速率變化越大，斜率也越大，甚至超過了彈性段的斜率。說明在拉伸速率瞬間增加時，試驗機為響應增加的拉伸速率而在試樣的正應力方向產(chǎn)生了沖擊作用，而且這種沖擊作用隨瞬間速度變化差異越大而越高。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因有兩個：其一，金屬材料在彈性變形階段，變形的傳播速度相當于聲速，試驗速率一般不會影響曲線的斜率，但在本試驗中的加速階段是處于塑性變形階段，此時變形主要依賴于位錯的運動，試樣在這種瞬間的加速載荷作用下位錯來不及運動而表現(xiàn)出較高的變形抗力；其二，速率改變的時刻，因為載荷增加較快，而應變量測量要等到試驗機系統(tǒng)受力改變后再傳到試樣，試樣再變形，再測量試樣平行段部分的變形，即變速的瞬間試驗機系統(tǒng)、試樣夾持段、平行段變形是從先到后順序，使得應力增加較快而變形增加小。在這兩種因素的作用下，會在拉伸曲線上出現(xiàn)斜率甚至高于彈性段的情況。雖然這部分的斜率不能作為材料的彈性模量，但卻顯示出加速對拉伸曲線的影響，而且加速點距離抗拉強度點越近越容易會產(chǎn)生GB/T 228.1—2010中應變速率突然增加時的應力-應變行為。

一般地，隨著高溫拉伸試驗溫度的升高，材料的規(guī)定塑性延伸強度和抗拉強度均下降，而抗拉強度的下降幅度高于規(guī)定塑性延伸強度，從而導致屈強比隨溫度升高而增大。屈強比的增大將導致彈性極限與抗拉強度之間的塑性變形范圍減少。各組參數(shù)和室溫條件下的屈強比如表4所示，隨著拉伸速率的增加屈強比減少，當拉伸速率達到6 mm·min-1時，其屈強比與室溫條件下相當，這與一般的理論研究成果出現(xiàn)了偏差。

表4 各組試驗參數(shù)下的屈強比Tab.4 Rp0.2/Rm under test parameters of each group

3 結論

(1) 在Mar-M247鎳基高溫合金高溫拉伸試驗過程中，屈服強度以前階段和屈服強度以后階段橫梁位移速率相同的條件下，橫梁位移速率越高，所得到的規(guī)定塑性延伸強度和抗拉強度越高。這是由高的橫梁位移速率引起的位錯形成速率、數(shù)量和堆積程度增加所導致的。

(2) 在屈服強度以前階段和屈服強度以后階段橫梁位移速率不同的條件下，Mar-M247鎳基高溫合金的高溫抗拉強度隨拉伸速率的增加而增大。

(3) 在屈服強度以前階段和屈服強度以后階段橫梁位移速率相同的條件下，其屈強比相當；而兩個階段速率不同時，卻產(chǎn)生了截然不同的屈強比，且屈強比隨屈服強度以后階段的速率增加而減小，達到一定速率時甚至與室溫的屈強比相當。這種現(xiàn)象與金屬材料屈強比隨溫度升高而增大的一般理論相悖。同時，由于試驗過程滿足相關試驗標準的要求，故通過實際的拉伸曲線和標準是無法否定其結果的有效性的。但對于材料本身而言，高溫拉伸時在屈服強度以后階段是否需要加速或者在什么時候加速所得到的結果更為準確，而可以作為產(chǎn)品設計或驗收的依據(jù)，還缺乏理論和實踐的支撐，還需要開展大量的試驗研究工作。