GH4169合金自然萌生小裂纹扩展行为的试验研究

2017-03-18刘文杰原栋肖哲西安航天源动力工程有限公司陕西西安710100

化工管理 2017年2期

刘文杰原栋肖哲（西安航天源动力工程有限公司，陕西西安 710100）

刘文杰原栋肖哲（西安航天源动力工程有限公司，陕西西安 710100）

通过对单边缺口拉伸（SENT）试样进行实验可以更进一步了解和掌握镍基GH4169合金自然萌生小裂纹扩展行为表现，且将实验中的应力比设、为0.1、0.5。结合实验分析发现，长裂纹近门槛附近位置，小裂纹效应较为明显，该疲劳小裂纹扩展寿命对全寿命影响较大。在对试样断口表面进行观察的过程中，发现，疲劳小裂纹主要是由合金中夹杂引起的，同时以半圆形的方式逐渐向合金内部侵袭。

GH4169合金；小裂纹；扩展行为；试验研究材料和试验

1 材料

试验材料为镍基GH4169高温合金，且该合金是通过直接时效热处理工艺进行处理的，微观结构图如图1所示。晶粒大小在15μm左右，但是部分晶粒大小可高达50μm。所使用的合金材料中有两种不同类型的夹杂，其中颜色深、呈方形、大小范围在5-30微米的是Ti(C，N)，另外一种颜色浅的为Nb(C，N)。常温情况下，材料的力学性能：屈服强度为1390MPa，抗拉强度为1530MPa。

图1 镍基微观结构

2 试验内容

在本次小裂纹扩展行为研究试验中，设定恒定的载荷值，应力比分别设定为0.1和0.5，且同一种试验条件下需要进行三次重复试验，以保证试验结果的准确性。另外本次试验中使用的仪器为MTS液压伺服疲劳试验机，温度条件为室温，试验频率设定为10赫兹，所选用加载波形为正弦波。

3 试验结果与讨论

3.1 小裂纹扩展行为

在后续的讨论过程中主要以引起试样断裂的主裂纹为研究对象。经研究发现，试样疲劳小裂纹是由材料夹杂出开始的，且夹杂尺寸较小，数量级在微米。在疲劳小裂纹开始阶段，裂纹扩展路径如图2中的a所示，而小裂纹后期如图2中b所示，通过对图2b的观察发现，在疲劳后期，裂纹路径表现较为平直。另外过程中主要是通过覆膜法来进行裂纹扩展观察的。

经对试验研究分析发现，合金中小裂纹扩展速度变化范围比较大，且呈现出较高的分散性，特别是在裂纹较小的区域内，这种现象尤为突出。但是裂纹长度增加的同时分散性也在逐渐降低，并最终趋于稳定。首先，在合金萌生小裂纹扩展初始阶段，扩展速率变化较大，经分析研究认为，该现象出现是受扩展过程中突遇晶界等影响而导致的裂纹扩展停滞。

图2

3.2 端口形貌分析

GH4169合金在试验过程中萌生的小裂纹都存在转变长度，且与该转变长度相对应的是裂纹扩展速率其中的一个最低点。若小裂纹扩展过程中大于该裂纹的转变长度，那么之后裂纹的扩展速率增加十分的明显，直到最终的试样断裂。而为了更加全面的了解这一试验现象发生的原因，下面将对试验的端口形貌进行深入的分析。

合金试样试验过程中小裂纹扩展是由材料夹杂开始的，在初期阶段，端口形貌主要大量的小平面为主，且这一阶段裂纹的扩展速率也比较慢，一旦裂纹扩展到某一长度值后，断口处的形貌就会发生明显的变化，由混乱的小平面向较为平台的断口平面转变。经使用设备观察发现，该阶段小平面内出现河流花样，周围有锯齿状的台阶。

3.3 小裂纹形状确定

合金试样通过试验得出了不同裂纹长度下断口形貌特点。首先，受到镍基GH4169合金强度性能强的特点，在疲劳扩展小裂纹较小的情况下，在静力拉伸作用喜爱，裂纹的情况可能会发生微弱的变形，但是通过观察仍旧可以看出形状近似于半圆形。而在小裂纹较大的情况下，其形状则更加趋向于规则的半圆形。

3.4 小裂纹扩展模式

在本次试验条件下，合金小裂纹扩展模式为：恒幅载荷条件下，试样夹杂处在试验早期就形成了微裂纹，随着试验的继续进行微裂纹逐渐扩展的基体，且这一过程中滑移平面的未向也随着晶粒取向的变化而发生变化，引起裂纹路径的倾斜或者是扭曲，使得裂纹端口表面呈现出大量的小平面。而当裂纹长度达到转变长度值后，扩展模式发生改变，裂纹尖端位置的塑性区变大，在这种情况下裂纹扩展是以2个滑移系统同时或者是交替进行扩展的，疲劳条带越来越清晰，速率越来越快，断口出表面趋于平坦，直到发生断裂。