拉伸速率对Mar-M247镍基高温合金高温强度的影响

(东方汽轮机有限公司材料研究中心 长寿命高温材料国家重点实验室, 德阳 618000)

Mar-M247镍基高温合金是美国马丁公司研制的第一代定向凝固高温合金材料，等轴晶组织使其在高温下力学性能非常好，常被用于制造等轴晶铸件。正是因为Mar-M27镍基高温合金具有优良的可铸造性和高温性能，以及良好的抗蠕变和抗热腐蚀性能，其被广泛用于制造工作温度在 1 000 ℃左右的航空发动机和重型燃气轮机热端部件(如动叶片和静叶片)。Mar-M247镍基高温合金中的 γ′相的体积分数高达62%，晶界内的 γ′强化相、在凝固过程中形成的 γ+γ′ 共晶组织和在晶界析出的不连续的颗粒状M23C6碳化物的存在，增强了Mar-M247镍基高温合金的高温蠕变强度，提升了Mar-M247镍基高温合金的力学性能。但是同时产生的脆性 MC 碳化物将会成为裂纹源，并为裂纹的传播和扩展提供通道，从而影响其低温蠕变伸长率等指标[1]。

屈服强度、规定塑性延伸强度和抗拉强度是工程中常用的静强度安全校核指标。一般情况下，随着试验温度的提高，金属材料的抗拉强度、屈服强度、规定塑性延伸强度会降低，并且抗拉强度的下降比例要大于屈服强度或规定塑性延伸强度的，即屈强比会增加；鉴于屈强比的变化会影响金属材料的低周疲劳寿命，屈强比增加会降低材料的强度安全余量[2]。因此，准确测试金属材料在高温条件下的强度对零件的安全设计和评估尤为关键。

唐叶金、湛欣等[3-4]通过试验分析了室温下拉伸速率对屈服强度的影响，结果表明拉伸速率越高屈服强度越高；刘文鹏等[5]则分析了低碳钢室温拉伸试验过程中不同控制模式对试验结果的影响；李和平[6-7]对现行的GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》中存在的疑问进行了分析讨论，并提出相应的建议。

笔者根据产品的要求，测试了不同拉伸速率下Mar-M247镍基高温合金的高温强度，分析讨论了拉伸速率对其高温强度的影响。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

试验选取了同一熔炼炉号并且同一热处理炉号的等轴晶Mar-M247镍基高温合金，该材料的化学成分(质量分数)为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为该批试料的室温拉伸试验结果。室温下拉伸试验的横梁位移速率为：屈服强度以前阶段0.15 mm·min-1，屈服强度以后阶段1.5 mm·min-1。

表1 Mar-M247镍基高温合金的室温拉伸试验结果Tab.1 Tensile test results of Mar-M247 nickel base superalloy at room temperature

1.2 试验方法

根据GB/T 228.2—2015 《金属材料 拉伸试验 第1部分：高温试验方法》将试料加工成直径为6.0 mm的螺纹头部的圆柱状试样，平行长度为30 mm。

采用新三思CMT5105型微机控制电子万能试验机，高温炉采用3段控温。试验温度为900 ℃，保温时间30 min。

试验采用试样平行长度估计应变速率的方法。试验分为5组，A-D组的试样数量为3件，E组试样数量为2件，各组的试验参数如表2所示。拉伸速率采用根据GB/T 228.1—2010对平行长度估计应变速率的计算方法，结合GB/T 228.2—2015对拉伸速率的要求，高温拉伸试验过程中屈服强度以前阶段选取了0.15和0.5 mm·min-1两种试验速率，屈服强度以后阶段选取了0.15，0.5，0.6，1.5和6.0 mm·min-1等5种拉伸速率。

表2 Mar-M247镍基高温合金的高温拉伸试验参数Tab.2 Test parameters of Mar-M247 nickel base superalloy at elevated temperature

2 试验结果及讨论

2.1 试验结果

由于该Mar-M247镍基高温合金试验结果处于铸造后经过热处理的状态，因此在相同试验参数下试验结果存在一定的分散度。为减少试样本身的因素对试验结果的影响，采用各组的试验结果平均值来分析拉伸速率对抗拉强度的影响，试验结果见表3。各组平均试验结果表明，随着屈服强度以后阶段拉伸速率的提高，抗拉强度增高；断后伸长率随着屈服强度以后阶段拉伸速率的提高先增加后降低。

表3 Mar-M247镍基高温合金的高温拉伸试验结果Tab.3 Tensile test results of Mar-M247 nickel base superalloy at elevated temperature

图1～图5分别是A-E组试验参数下典型的拉伸曲线，其中A, E两组的屈服强度以前阶段与屈服强度以后阶段的拉伸速率相同，整个曲线很光滑；B, C, D组的拉伸曲线中由于两个阶段速率不同，速率变化引起了曲线斜率的突变。

图1 A组试验参数下的拉伸曲线Fig.1 Tensile curve under group A test parameters

图2 E组试验参数下的拉伸曲线Fig.2 Tensile curve under group E test parameters

图3 B组试验参数下的拉伸曲线Fig.3 Tensile curve under group B test parameters

图4 C组试验参数下的拉伸曲线Fig.4 Tensile curve under group C test parameters

图5 D组试验参数下的拉伸曲线Fig.5 Tensile curve under group D test parameters

2.2 分析讨论

由图1～图5的拉伸曲线可见，Mar-M247镍基高温合金在高温拉伸过程中没有明显的屈服现象。本次对比分析均采用了GB/T 228.2—2015中的A方法，并根据该标准中第10.3.2款和第10.3.4款的要求引用了GB/T 228.1—2010中相应条款的规定，则可根据应变速率和试样平行长度确定横梁位移速率，鉴于试验在相同试验机上进行，故忽略了试验机柔度的影响。根据试验方法和试样尺寸计算出屈服强度以前阶段的横梁位移速率为(0.126±20%) mm·min-1(标准推荐的速率)或(0.45±20%) mm·min-1，测试屈服强度以后阶段的横梁位移速率为(0.126±20%) mm·min-1或(0.126±20%) mm·min-1或(2.52±20%) mm·min-1(标准推荐的速率)或(12±20%) mm·min-1。因此，针对Mar-M247镍基高温合金高温拉伸试验的参数设置中除D组的抗拉强度测定速率不在标准要求范围内之外，其他各组的速率均满足标准要求。

张俊平等[8]研究了温度及应变速率对超塑性钢拉伸性能的影响，分析了拉伸过程中的各个阶段弹/塑性变形的机制，对于弹性极限到抗拉强度之间的塑性阶段主要是由位错移动引起的塑性变形。张俊善[9]在高温下位错运动的基本理论中分析了高温蠕变状态下位错回复速率，该速率远远小于高温拉伸条件下位错形成速率。而金属材料的回复速率与时间和温度有密切的关系，在相同的试验温度和相近的试验时间条件下，材料的位错回复速率应是相当的，且对试验结果的影响很小。0.15 mm·min-1速率的A,B,C,D组的规定塑性延伸强度远低于0.5 mm·min-1速率的E组的，A组的抗拉强度也远低于E组的。说明在在恒定的应变速率条件下，速率越高位错形成速度、数量和堆积程度也越高，表现为强度越高。

拉伸速率增加越大对Mar-M247镍基高温合金抗拉强度产生的影响也越大，尤其是非恒定的拉伸速率等情况下表现尤为突出。虽然从图3～图5中没有观察到GB/T 228.1—2010中应变速率突然增加时的应力-应变行为，但通过对图1、图2与图3～图5的拉伸曲线对比发现，应变速率突然增加后，曲线不仅存在明显的拐点，还存在与弹性变形阶段斜率相近的斜线段，速率变化越大，斜率也越大，甚至超过了弹性段的斜率。说明在拉伸速率瞬间增加时，试验机为响应增加的拉伸速率而在试样的正应力方向产生了冲击作用，而且这种冲击作用随瞬间速度变化差异越大而越高。这种现象产生的原因有两个：其一，金属材料在弹性变形阶段，变形的传播速度相当于声速，试验速率一般不会影响曲线的斜率，但在本试验中的加速阶段是处于塑性变形阶段，此时变形主要依赖于位错的运动，试样在这种瞬间的加速载荷作用下位错来不及运动而表现出较高的变形抗力；其二，速率改变的时刻，因为载荷增加较快，而应变量测量要等到试验机系统受力改变后再传到试样，试样再变形，再测量试样平行段部分的变形，即变速的瞬间试验机系统、试样夹持段、平行段变形是从先到后顺序，使得应力增加较快而变形增加小。在这两种因素的作用下，会在拉伸曲线上出现斜率甚至高于弹性段的情况。虽然这部分的斜率不能作为材料的弹性模量，但却显示出加速对拉伸曲线的影响，而且加速点距离抗拉强度点越近越容易会产生GB/T 228.1—2010中应变速率突然增加时的应力-应变行为。

一般地，随着高温拉伸试验温度的升高，材料的规定塑性延伸强度和抗拉强度均下降，而抗拉强度的下降幅度高于规定塑性延伸强度，从而导致屈强比随温度升高而增大。屈强比的增大将导致弹性极限与抗拉强度之间的塑性变形范围减少。各组参数和室温条件下的屈强比如表4所示，随着拉伸速率的增加屈强比减少，当拉伸速率达到6 mm·min-1时，其屈强比与室温条件下相当，这与一般的理论研究成果出现了偏差。

表4 各组试验参数下的屈强比Tab.4 Rp0.2/Rm under test parameters of each group

3 结论

(1) 在Mar-M247镍基高温合金高温拉伸试验过程中，屈服强度以前阶段和屈服强度以后阶段横梁位移速率相同的条件下，横梁位移速率越高，所得到的规定塑性延伸强度和抗拉强度越高。这是由高的横梁位移速率引起的位错形成速率、数量和堆积程度增加所导致的。

(2) 在屈服强度以前阶段和屈服强度以后阶段横梁位移速率不同的条件下，Mar-M247镍基高温合金的高温抗拉强度随拉伸速率的增加而增大。

(3) 在屈服强度以前阶段和屈服强度以后阶段横梁位移速率相同的条件下，其屈强比相当；而两个阶段速率不同时，却产生了截然不同的屈强比，且屈强比随屈服强度以后阶段的速率增加而减小，达到一定速率时甚至与室温的屈强比相当。这种现象与金属材料屈强比随温度升高而增大的一般理论相悖。同时，由于试验过程满足相关试验标准的要求，故通过实际的拉伸曲线和标准是无法否定其结果的有效性的。但对于材料本身而言，高温拉伸时在屈服强度以后阶段是否需要加速或者在什么时候加速所得到的结果更为准确，而可以作为产品设计或验收的依据，还缺乏理论和实践的支撑，还需要开展大量的试验研究工作。