预应变对GH4169合金低周疲劳行为的影响

耿长建，周轶群，佟文伟，刘福春，刘 欢

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

预应变对GH4169合金低周疲劳行为的影响

耿长建，周轶群，佟文伟，刘福春，刘 欢

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

为了研究发动机构件在实际工作中受到的轴向拉应力作用下疲劳行为的变化，开展了发动机常用材料G H 4169合金在拉伸预应变条件下的低周疲劳行为的研究，得出疲劳寿命随预应变增加的变化规律。从宏观和微观2方面分析预变形对材料低周疲劳行为影响的变形机制。最终为解决实际工程中构件断裂等问题提供技术支持，同时也为评估航空发动机构件在产生预变形条件下的寿命，确保安全使用提供技术支撑。结果表明：随着预应变量的增加低周疲劳寿命降低,组织内位错密度、孪晶数量均增加，裂纹扩展长度减小。

预应变；低周疲劳；G H 4169合金；应力幅；滞后回线；变形机制

0 引言

航空发动机在使用过程中面临着高温、振动以及剧烈的状态变化，为了提高航空发动机性能（特别是推重比），材料和构件的可靠性需要达到更高标准。在发动机试车及零部件试验中，常出现由应力过载导致塑性变形的情况。某些材料在一定形变条件下产生强化，有些情况下这种变形对材料和零部件寿命及安全性产生不利影响。因此，航空发动机构件材料的力学性能和构件性能要达到更高要求。近几年，航空发动机和燃气轮机在工作中因构件损伤破坏而导致严重事故多发，因此研究发动机构件的使用寿命是解决问题的关键。国内外学者针对预变形对材料疲劳性能的影响做了大量研究[1-8]。

发动机构件在实际工作中受轴向拉应力作用。本文研究了GH4169合金在不同预应变条件下的低周疲劳行为，并对其变形机制进行分析，研究了构件在拉应力作用下材料的低周疲劳性能变化，为发动机构件在实际工作条件下的疲劳行为研究提供理论依据。

1 预应变低周疲劳试验

在预应变试验中，拉伸应力超过试棒的屈服强度发生塑性变形，即产生一定预应变，将预应变试棒加工成标准疲劳试样。为保证试验结果的准确性，将3个同一预应变量条件下的试样疲劳试验结果作为1组数据。在Instron试验机上进行疲劳试验，应变幅为1.2%（应变比为0.1）。

1.1 低周疲劳性能曲线

不同预应变量条件下低周疲劳应力幅随循环周次的变化曲线（每条曲线是1个试样的结果）如图1所示。从图中可见，应力幅随着循环周次的增加而逐渐减小，即发生循环软化。

图1 应力幅-循环周次变化曲线

在应变幅为1.2%的条件下，低周疲劳寿命与预应变量的关系曲线如图2所示。从图中可见，低周疲劳寿命随着预应变量的增加而缩短。

图2 循环周次-预应变量曲线

在2%预应变条件下不同周期应力-应变曲线如图3所示。从图中可见，滞回曲线的不对称性随循环周次的增加变化不明显；密排六方金属镁合金滞回曲线的不对称性随循环周次的增加明显增强[9]，说明GH4169合金包申格效应不明显[10]。

在不同预应变条件下第2000周次的滞回曲线如图4所示。从图中可见，预应变量越大，发生该应变量所需要的应力越大，随着预应变量的增加，同一周期滞回曲线整体上平移但曲线形状无明显变化，即发生同一应变所需应力增大。

图3 2%预应变不同循环周次应力-应变滞回曲线

图4 不同预应变条件下第2000周期的应力-应变滞回曲线

1.2 微观组织分析

疲劳断裂后试样微观组织如图5所示。从图中可见，不同应变量疲劳断裂组织整体上形貌变化不大，但组织内位错、孪晶的数量随着预应变量增加而增加。位错密度也随应变量增加而增大[11]。随着变形量的增加，产生孪晶的剪切应力更易达到，故孪晶数量随着预应变量的增加而增加，位错及孪晶界处更容易产生应力集中，导致疲劳寿命缩短。

图5 疲劳断裂试样组织

1.3 断口分析

不同预应变疲劳试样断口裂纹扩展长度如图6所示。从图中可见，裂纹扩展长度随着预应变量的增加而减小（2%预应变除外）。

图6 断口宏观形貌

断口中心部位微观形貌如图7所示。从图中可见，每个断口中心部位都有大量较深的韧窝，说明中心部位为韧性断裂。经过预应变试件，循环变形能力明显降低，说明材料在循环塑性应变的作用下，破坏迅速。由此可见，塑性疲劳是造成疲劳损伤的根本原因，同时也说明当循环载荷能够引起材料的反向塑性变形越大时（施加载荷足够大），材料的破坏损伤也越严重[12]。

图7 中心部位断口形貌

2 分析与讨论

一般来说，如果材料在非对称应变循环变形条件下（Ra=0或Ra=-∞），其应力变化与对称应变循环变形条件下的应力变化有所差异。材料在拉-拉循环变形条件下（Ra=0）的应力随应变变化如图8所示。

图8 高、低应变幅下第1周期滞回曲线

从图中可见，在小应变幅下的拉伸开始阶段，首先发生弹性形变，然后是弹塑性变形至a点。卸载后回弹，应力降为零，但残留有小的塑性应变。此时，若将应变回复到零，需要有压缩应力形成反向加载，所需压缩应力的大小取决于残留塑性应变的大小和反向压缩过程中材料的屈服应力大小。由于在小应变幅下发生的塑性应变极小，所以从a至b的应力-应变曲线为线性，该过程为弹性应变。在接下来的循环变形过程中，应力-应变响应将沿着图中所示的红色直线在a、b之间往复进行。在大应变幅下的循环变形过程中，在拉伸初始阶段发生弹性应变后，从a至c发生较大弹塑性应变。卸载后，发生回弹，应力降为零，但残留的塑性应变较大，若将应变回复至零，需要较大的压缩应力。在该过程中，有可能发生塑性屈服，屈服应力的大小取决于塑性变形的大小和是否发生包申格效应[13-14]。理想情况下，从c至d发生弹性应变，在d点发生屈服，而从d至e为弹塑性应变。在接下来的卸载和反向拉伸过程中，应力-应变曲线从e至 f为线性、弹性过程，而从f至c为非线性、弹塑性过程，由f至c，构成c-d-e-f-c滞回曲线[15]。预应变使试样在开始阶段就产生了塑性变形，使接下来的疲劳过程中从a至b，c至d过程缩短，疲劳寿命缩短。因此，预应变量越大疲劳寿命越短。

3 结论

（1）不同预应变量条件下应力幅均随循环周次的增加而逐渐减小；

（2）随着预应变量的增加，循环周次减少，整个循环过程滞回曲线的不对称性变化不明显；

（3）随着预应变量的增加，同一周期滞回曲线整体上平移；

（4）随着预应变量的增加，内位错密度、孪晶数量均增加，裂纹扩展长度减小（2%预应变除外）。

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（编辑：赵明菁）

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 基金项目：航空动力基础研究项目资助

耿长建（1980），男，博士，工程师，从事金属材料性能及其微观变形机制研究工作；E-mail：gengchangjian2008@163.com。

耿长建，周轶群，佟文伟，等.预应变对GH4169合金低周疲劳行为的影响[J].航空发动机，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.