DZ408合金低周疲劳行为

张仕朝

(1.北京航空材料研究院， 北京 100095；2.航空材料检测与评价北京市重点实验室， 北京 100095；3.先进高温结构材料科技重点实验室， 北京 100095)



DZ408合金低周疲劳行为

张仕朝1，2，3

(1.北京航空材料研究院， 北京 100095；2.航空材料检测与评价北京市重点实验室， 北京 100095；3.先进高温结构材料科技重点实验室， 北京 100095)

DZ408; 低周疲劳; 应变比;平均应力松弛

定向凝固高温合金由于很好的综合力学性能，被广泛应用航空工业中。为更好地发展及应用定向凝固高温合金，研究者对其组织成分及力学性能进行了研究[1-2]。DZ408合金是第一代凝固柱晶高温合金，主要强化相为沉淀析出的γ′相，合金具有良好的力学性能和良好的铸造性能，主要用于涡轮发动机的工作叶片和导向叶片材料，适用于铸造复杂型腔的薄壁空心叶片[3-4]。涡轮叶片作为发动机的热端部件。除了承受因高温引起的蠕变损伤外，同时也会因承受发动机启动、停机产生的交变载荷及温度变化而引起的低周(Lowcyclefatigue，LCF)疲劳破坏,在实际服役中，主要承受非对称循环载荷[5]，为了更好的了解DZ408合金的疲劳特性，本工作研究了DZ408合金950 ℃，1000 ℃和1050 ℃，应变比为0.05时的低周疲劳行为，以期为叶片寿命设计提供依据。

1　试验材料及方法

试验材料为定向凝固高温合金DZ408，其化学成分如表1所示。DZ408母合金在500kg的真空感应炉中熔炼(VIM)，浇铸成φ80mm的合金锭。定向凝固试棒在ISP2/Ⅲ-DS真空感应炉中进行，采用快速凝固(HRS)法，制备柱晶试棒，毛坯经热处理后，机加工成直径6mm，标距12mm的标准疲劳试样，低周疲劳试验是在MTS液压伺服疲劳试验机上进行。试验用轴向应变控制，通过石英刀口与试样表面接触测试标距内的应变，加载波形为三角波，应变比R=εmin/εmax=0.05，试验温度为950 ℃，1000 ℃和1050 ℃，选取应变幅εa(εa=(εmax-εmin)/2=Δε/2)的范围为0.28%～1.14%。通过炉内电阻丝辐射加热试样，由分布于标距附近的热电偶控制温度的波动，温度波动控制在±2 ℃。试验数据的采集由计算机完成，各个试样均进行至试样断裂。试验方法参照GB/T15248—2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》中规定执行。

表1　DZ408合金的化学成分(质量分数/%)Table 1　Chemical composition of DZ408 superalloy (mass fraction/%)

2　试验结果与分析

2.1循环应力响应行为

试验过程中，对每一给定的总应变幅记录应力值随循环周次的变化情况。应力值随循环周次的变化(即循环应力响应)宏观反映了合金在不同温度及其他试验条件下的应变硬化或软化行为。图1给出了DZ408合金在950 ℃，1000 ℃及1050 ℃下的循环应力响应曲线。由图1(a)可以看出，950 ℃下，应变幅为0.67%～1.14%时，材料处于循环稳定状态；应变幅为0.48%时，在前三个循环内存在循环硬化的现象，3个循环后，基本处于循环稳定状态，应变幅为0.43%时，前4个循环内是一个软化硬化状态，四个循环后，材料处于循环稳定状态。由图1(b)可以看出，1000 ℃下，应变幅≥0.48%时，材料基本处于循环稳定状态；应变幅为0.40%时，材料呈现微弱硬化-循环稳定的状态。图1(c)为1050 ℃下的循环应力状态：应变幅0.38%～0.86%时，材料基本处于循环稳定状态；应变幅为0.29%时，材料呈现微弱硬化-循环稳定的状态；应变幅为1.10%时，材料呈现微弱软化-硬化-循环稳定的状态。图1中还出现应力突然下降的阶段，这种突然下降是由于经过多次的循环变形，材料出现疲劳损伤而进入失稳扩展的阶段。应变硬化现象与位错间相互作用有关，随着循环变形的进行，形成新的位错，导致位错密度增加，位错间相互排斥，使位错运动受阻，因此应力随循环变形的增加而不断增大[6-7]。由于疲劳变形时对应的塑性分量很小，以至于位错增值速率与位错湮灭速率之间很容易达到平衡，使得位错增殖引起的硬化效应与位错湮灭产生的软化效应彼此抵消，合金呈现循环稳定的状态[8-9]。

图1　DZ408合金不同温度下的应力响应曲线Fig.1　Cyclic stress response curves for DZ408 superalloy at different temperatures(a)950 ℃；(b)1000 ℃；(c)1050 ℃

2.2平均应力松弛

在循环塑性变形时，如果平均应变为正，则可能发生塑性安定(Plasticshake-down)。循环变形时，平均应力降低，甚至可能降到零；这种应力松弛之所以可能发生，是因为活跃的循环滑移引起了位错重排[10]。图2给出了950 ℃，1000 ℃和1050 ℃下平均应力随循环周次的变化曲线，由图2可以看出，随着循环周次的增加，平均应力绝对值逐渐减小，直到接近于0；应变幅越大，首循环的平均应力越小，应力松弛速率越大；应变幅越小，首循环的平均应力越大，应力松弛速率越小；说明DZ408合金在该试验条件下存在塑性安定(Plasticshake-down)现象。从图2还可以看出，随着温度的升高，平均应力松弛的速率加快。

图2　DZ408合金不同温度下平均应力响应曲线Fig.2　Mean stress response curves for DZ408 superalloy at different temperatures(a)950 ℃；(b)1000 ℃；(c)1050 ℃

2.3Masing特性

Masing特性是材料疲劳过程中的特性，符合Masing特性的材料，在应变疲劳试验过程中，不同应变幅的应力应变迟滞回线移至最低点重叠时，其上部应当重合。不符合Masing特性的材料称为非Masing特性材料。

图3给出了950 ℃，1000 ℃和1050 ℃下半寿命的应力应变迟滞回线，将起点平移至原点，不同温度下循环迟滞回线的上部基本重合，说明DZ408在试验温度下基本符合Masing特性。

图3　不同温度下 Masing 特性曲线Fig.3　Masing curves at different temperatures(a)950 ℃；(b)1000 ℃；(c)1050 ℃

2.4温度对应变寿命的影响

图4　温度对疲劳寿命的影响Fig.4　Low cycle fatigue at different temperatures

温度的升高会对材料的低周疲劳性能产生一系列的影响，因此有必要研究温度对疲劳性能的影响，进而了解材料的抗疲劳性能。图4为DZ408合金不同温度下的低周疲劳性能。由图4可以看出，材料的低周疲劳寿命不仅取决于外加总应变幅的大小，而且与温度密切相关。总体来说，加载应变幅值越大，疲劳寿命越低。从能量的角度来说，材料低周疲劳破坏时所需要的能量是一定的。循环滞后环的面积代表材料塑性变形时所作的功，即塑性应变能，其宽窄或大小说明材料抗塑性变形的能力高低。滞后环中的面积是每次循环所做功或能量的损失。在材料疲劳破坏所需的能量一定的情况下，滞后环的面积越大将导致材料疲劳破坏的疲劳寿命越短(见图3)。在加载总应变范围内，寿命随温度的升高而降低，材料的疲劳寿命随温度的升高而降低的行为通常是和时间相关的损伤有关。一般在高温时，与时间相关的损伤主要有两种，即蠕变与氧化，前者断口一般呈沿晶断裂的特征，后者是因为它加快了穿晶型裂纹萌生和扩展的速率。

2.5寿命预测模型

经典的Manson-Coffin公式能够描述应变幅与疲劳失效反复数2Nf之间的关系，但该公式没有考虑平均应变或平均应力的影响；为了考虑平均应变的影响，Smith，Watson，Topper等[11]对Manson-Coffin公式进行了修正，得到了SWT模型，见下式：

(1)

(2)

式(2)中a，b为待定参数，用式(2)对不同温度下的试验数据进行拟合，结果见图5，得到不同温度下的修正SWT关系式：

(3)

(4)

(5)

图5　不同温度下疲劳寿命与SWT参数σmax)的关系Fig.5　Low cycle fatigue life vs SWT parameter σmax) at different temperatures(a)950 ℃；(b)1000 ℃；(c)1050 ℃

相关系数均在0.98以上，说明修正的SWT模型能很好的预测DZ408合金测试温度范围内的试验结果。

分析修正SWT模型参数a，b与温度的关系，发现两者与温度均成线性关系，见图6和图7，将它们的关系式带入修正的SWT模型，得到包含温度影响的修正SWT关系式：

(6)

图6　参数a与温度的关系Fig.6　Relationship between a and temperature

图7　参数b与温度的关系Fig.7　Relationship between b and temperature

3　结论

(1)当平均应变为正时，DZ408合金在测试温度范围内会发生应力松弛的现象，DZ408合金在该试验条件下存在塑性安定(plasticshake-down)现象。

(2)DZ408合金在950 ℃，1000 ℃和1050 ℃，应变比为0.05条件下具有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

张仕朝(1982—)，男，硕士，工程师，主要从事材料疲劳方面的研究，(E-mail)lyshichao@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.1.016

TG132.33

A

1005-5053(2016)01-0093-05