GH36合金持久缺口敏感性与蠕变和疲劳及其交互作用下的裂纹扩展速率

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1988.02.027 北京钢铁学院学报 第10卷第2期 Journal of Beijing University Voi.10.2 1988年4月 of Iron and Steel Technology Apr,1988 GH36合金持久缺口敏感性与蠕变 和疲劳及其交互作用下的裂纹扩展速率 孙仙奇梁晋高良谢锡善常逢元迟书跃 (北京钢铁学院) (西安红旗机械厂) 摘 要 研究了GH36合金持久缺口敏感性对装纹扩圹展速率的影响。结果表明：通过软 化的热处理制度来改善材料的持久塑性达到消除持久缺口敏感性的目的，对在蠕变 或以蠕变为主的应力条件下延缓裂纹的扩展具有重要意义；而在低周疲劳或以疲劳 为主的应力条件下，裂纹扩展速率对强度敏感，而与材料是否存在持久快口敏感性无 关；提高强度可显著提高材料的抗低周疲劳裂纹扩展能力。为使材料在蠕变。疲劳 以及蠕变疲劳交互作用下都只有高的抗裂纹扩展能力，应对材料进行强韧化， 关键词：缺口敏武性，高温合金，纹扩展，辅变，玻劳，绣变接劳文互诈用， Influence of Stress Rupture Notch Sensitivity on Crack Growth Rates at Creep,Fatigue and Creep/Fatigue Interaction Conditions in GH36 Superalloys Shun Xiangi Liang Jin Gao Liang Xie Xishan Chang Fengyan 。 Chi Shuyue 1985-0621收髋 176

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 冲 。 合金持久缺口 敏感性与蠕变 和疲劳及其交互作用下的裂纹扩展速率 孙仙奇 梁 晋 高 良 谢锡善 常逢元 迟书跃 〔北京钢铁学院 西安红旗机械厂 摘 要 研究了 合金持久缺口 敏感性对裂纹扩展速率的影响 。 结果表明 通过软 化的热处理制度来改善材料的持久塑性达到消除持久缺口 敏感性的 目的 ，对在 蠕 变 或以 蠕变为主的应力条件下延缓裂纹的扩展具有重要意义 而在低周疲劳或以疲劳 为主 的应力条件下 ，裂纹扩展速率对强度敏感 ，而与材料是否存在持久缺 口 敏感性无 关 提高强度可显著提高材料的抗低周疲劳裂纹扩展能力 为使材料在蠕变 疲劳 以 及蠕变疲劳 交互 作用下都具有高 的抗裂纹扩展能力 ， 应对 一 材料进行强韧化 关键 词 缺 日 敏引生 ， 高温合金 ， 裂纹扩展 ， 蠕变 ， 疲劳 ， 蠕变疲劳交互 炸用 ， 扮 泞 ‘ 路 ’ ‘ 收 毛 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．02．027

Abstract The influence of stress rupture notch sensitivity on crack growth rat- es have been investigated in GH36 iron-base superalloy discs.Stress rupt- ure ductility improvement can eleminate stress rupture notch sensitivity and decrease the crack growth rates under creep condition or where creep is the dominant failure mode,But under fatigue condition,the crack growth raets are sensitive to material strength and independent of str- ess rupture notch sensitivity,Material strength improvement can signifi- cantly increase the resistance to low cycle fatigue crack growth.In order to improve the resistance to crack growth under creep,fatigue and creep/fatigue interacton,materials should be improved in both strength and ductility. Key words:notch sensitivity,superalloy,crack growth,creep,fati- gue,creep/fatigue interaction 前 言 航空发动机祸轮盘材料的持久缺口敏感性，近10多年来受到人们的日益重视。对 GH36合金涡轮盘材料的研究表明，持久缺口敏感性对材料力学性能的影响，依应力状 态的不同而显著变化1)。 材料对裂纹扩展的抗力，对于全面地评价材料性能，较准确地预测带裂纹构件的剩 余寿命，避免灾难性事故的发生，有着重要的意义。 本文通过GH36合金持久缺口敏感性对裂纹扩展速率影响的研究，以期加深对持久 缺口敏感性在评价材料性能方面的认识，为材料的质量控制和性能改进提供新的依据。 1试验材料及方法 试样在齐齐哈尔钢厂电弧炉+电渣重熔治炼生产的两个直径为1m的涡轮盘轮缘部 位沿弦向取得，化学成份见表1。 表1化学成分(wt%) Table 1 Chemical composition,wt% A 炉号 C Si Mn s ·Cr Ni Mo Nb 140012 0.38 0.538.97 0.003 0.020 12.787.74 1.291.52 0.28 140019 0.37 0.53 9.00 0.004 0.019 12.85 7.45 1.27 1.46 0.31 177

五。 。 。 。 、 。 。 。 、 。 。 。 。 丘 ， 、 。 。 。 。 。 一 。 。 ， 。 ， 妥云奋 五 ， ， ， 。 ， ， ， ， ， 前 省七二 航空发动机涡轮盘材料的持久缺口敏 感性 ， 近 多年来受到 人们 的 日益重 视 。 对 合金涡轮盘材料的研究表 明 ， 持 久缺 口 敏感性对材料力 学性能的影响 ， 依应力状 态的不 同而显著变化〔 〕 。 材料对裂纹 扩展的抗力 ， 对于 全面地评价材料性能 ， 较准确地预测 带裂纹构件的剩 余 寿命 ， 避免灾难性事 故的发生 ， 有着重 要的意义 。 本文通过 合 金持 久缺 口敏感性对裂纹扩展速 率影响的研究 ， 以 期加深对持 久 缺 口敏 感性在评价材料性能方面的认识 ， 为材料的质量控制和性能改进提供新的依据 。 试验材料及方法 试 样在齐齐哈尔钢厂 电弧炉 位沿 弦 向取得 ， 化学成份 见表 十 电渣重 熔冶炼生产的 两个直径为 的 涡轮盘轮缘部 表 化 学 成 分 ， 晚曰， 口甲， 月 炉冲 号昙 卜 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 忿 。 。 。

经1130℃/3h/水冷+660℃/14h升温→760℃/16h/空冷这一标准热处理的140012 盘，其强度较高，但存在较严重的持久缺口敏感性，经标准热处理+790℃/10/空冷 补充时效处理的140019盘，基本上消除了原有的持久缺口敏感性，但强度有所降低。两 种材料的基本力学性能见表2和表3。 表2常规力学性能 Table 2 Tensileproperties 炉号 r,℃ 厨服超度，MPa 断裂强度，MPa 8,% 中，% HB,mm 140012 20 711 995 21.2 37.8 3.45 708 990 21.0 36.5 3.40 140019 20 593 915 22.6 34.9 3.60 597 921 22.2 36.4 3.50 140012 650 460 584 19.6 42.0 449 585 16.8 48.2 140019 650 402 536 20.0 45.0 一一 399 529 21.2 42.0 一一 表3 650℃蠕变及持久性能 Table 3 Stress rupture and creep properties at 650C 炉号 应力，MPa 光滑持久tr,h 8r,% 缺口持久tN,h 蠕变速率es,s一1 140012 343 159.5 2.7 17.5 6.33X10-9 184.0 2.8 11.6 140019 343 51.6 20.0 98.2 7.25X10- 91.8 16.0 93.9 两种材料的光滑和缺口低周疲劳性能示于图1。最大应力等于常数(om:,=530MPa) 条件下的蠕变/疲劳交互作用性能如图2所示。 600 520 -1400:23moh ie-140012 Noteh 500 0-N0!24otn 150 145015 3moou 140015 心 一1001 Noteh 300 300 T=650 2G0:: f=1Hz 200 100 5J3 62 103 101 105 1n3 1n5 Cjoles to fracture,N C.cles to eeture,r 图1光开与共1位丽步能 图2镭2技芳实左作用 Fig.1 Notch effect on 650CLCF behavior of Fig.2 A new fatigue-creep interaction map two discs with cifferent heat treatmenta. shows notch effect on 650C stress- controlled LCF with different stress ratios, 178

经 ℃ 水冷 ， ℃八 里鱼 净 ℃ 空冷这一标准热处理的 盘 ， 其强度较高 ， 但存在较严重的持 久缺 口敏感性， 经标准热处理 十 ℃ 空 冷 补充时效处理的 盘 ， 基本上 消除了原有的持 久缺 口敏感性 ， 但强度有所 降低 。 两 种材料为基本力学性能 见表 和表 。 表 常 规 力 学 性 能 二 炉 号 ， ℃ 屈 服强度 ， 断裂强度 ， 各 ， 杯 冲 ， 多 ， 扮︸ 孺 ， 。 。 。 ， 。 。 。 一 的 。 。 。 。 。 。 口 松 匕七﹃ 勺﹄ ﹄ 表 ℃端变及持久性能 ℃ 炉 号 应力 ， 光滑 持久 ， ， 多 缺 口持久 ， 蠕变速率 ， 一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 。 一 两种材料的光滑和 缺 口 低周 疲劳性能示于 图 。 最大应力 等 于常 数 二 条件下的蠕 变 疲劳 交互作用 性能如图 所 示 。 璧 卜户名 。 。 。 ‘ 赴 又从 “ 。 ，，， 知‘的 口， 不〕孔巴。 ℃ 赚一明 从 厂一门 洲二 一 二 厂 一 一万一一 ‘ 一 一 ，拼 ， ，二 、 、 纬 、 以 一 衬 忽 丙。 ，，卜 一 心全竺粤竺 于勿嗜一 川旧。 ‘ 。 阵一半屯丈 曰一 每 「 一娜叫 口 一 响 兰竺倾 ‘ 二 。 。 ‘ 巧 爪办乏 长瑟蒯 。 矛乙︸乡 ﹃ 门，曰﹄乃六扩心，仁︸」代沪的 ，， 刁 一 、 ︷贬 口 一 飞卜 － 一 味 ，二 』 ‘ 一一砂 二生 子 勺月 平 ‘ 的三司的扔。‘二一匕 仍侧召︸的优。︸‘几︸︸ 丫 ， 里。 ，一 巴 砂二呀二一减一 一 一 户 二 己 。 一 ， ‘ 公弓 习 尤 污与 块 厂 低 周抚劳宁 二 能 图 蠕 乏疲劳 交 互 作用 件 流 人 货 例 工 ， ‘ ， 一 工 ， ℃ ， ， 一 了

裂纹扩展速率试验所用的试样为标准中心孔试样。采用电位法(2)测定试验过程中 的裂纹长度。武样的应力强度因子K参照文献〔3)和〔4)，采用下面的修正计算： K=C1.121-0.219(a/W)2+0.182(a/W)√rtasec-πa·g 2币 式中，a为半裂纹长度，W为试样半宽度，而σ为外加名义应力。 蠕变、疲劳和恒应力强度因子比(R=Kmin/Kmax)条件下的裂纹扩展速率采用 通常的恒负荷法。恒定最大应力强度因子(Kmx-const.)不同的蠕变/疲劳交互作用 条件（平均应力强度因子Km和交变应力强度因子△K不同）下裂纹扩展速率，则在试 验过程中随a的增加，通过不断改变所给负荷，使所选定的Kma,Km和△K基本不 变。 除蠕变试验(R=1)外，其余试验均采用0.5Hz的方波。 102 2试验结果 10012 14e019 两种试料在蠕变条件下的裂纹扩展速 10-3 率如图3所示。在对数坐标下，裂纹扩展 10 的 速率da/dt与应力强度因子呈线性关系， 且在不同的K值范围内，曲线具有不同的 斜率。在所给试验的K值范围内，持久塑 0 T=65利C 性较低的140012试料的裂纹扩展速率为 RI 140019的2~2.5倍。 10 纯疲劳(R=一1)条件下的裂纹扩展 10 速率示于图4。由图可知，曲线的形貌与 720750800850900950 K,N.'min3/2 蠕变裂纹扩展速率曲线（图3）十分相 似，然而与蠕变条件下的结果正好相反， 图3蠕变裂纹扩展速率 在所给试验的△K值 Fig.3 Creep crack growth rates （△K=Km二Kni”)范围内，低强度高塑性的140019试料的扩展速率da/dN比高 2 强度低塑性的140012试料大1.2-5倍。 图5示出了应力强度因子比R=一：=0,18蠕变/镀芳交互作用条件下的裂 衣四是黑 纹扩展速率。由图5可知，两种试料的裂纹扩展速率da/dN在试验条件下几乎完全相 同，曲线明显地分成三个阶段，在不同的△K值范围，曲线具有不同的斜率。 Kmax=常数=735N/mm/,不同△K和Kma的蠕变/疲劳交互作用下的裂纹扩 展速率示于图6。图中下面横坐标为△K,上面横坐标为Km·,n,纵坐标为通常的 da/dN(da/dt),符号定义为： 179

裂纹 扩展速率试验所 用的试样为标准 中心孔试样 。 采用 电位法 〔韵测定 试验过 程 中 的 裂纹 长度 。 试样的应 力强度 因子 参照文献 〔 〕 和 〔 〕 ， 采用下 面的修正计算 、 〔 一 。 。 。 、 。 。 二 ‘ 〕 ‘ 侃厄蕊还二 。 ， 洲 式 中 ， 为半裂纹长度 ， 平为 试 样半宽度 ， 而 为外加名义应力 。 蠕变 、 疲劳和恒应力强度 因子 比 。 。 二 二 条件下的裂纹扩展速率 采 用 通常的恒负荷法 。 恒定最大应 力强度 因子 二 二 。 。 不同 的蠕 变 疲劳交互作 用 条件 平均应 力强度 因子 二和交变应力强 度因子△ 不同 下裂纹 扩展速率 ， 则 在 试 验 过程 中随 的增 加 ， 通 过不断改 变所给 负荷 ， 使所选定 的 二 二 ， 和 △ 基 本 不 变 。 除蠕变试验 二 外 ， 其余试验 均采用 的方波 。 之吕卜 试验结果 两种试料在蠕变条件下的裂纹扩展速 率如 图 所示 。 在对数坐标下 ， 裂纹 扩展 速率 与应力强度因子呈线 性关 系 ， 且在不 同的 值范围内 ， 曲线 具有不同的 斜率 。 在所给试验的 值范围内 ， 持 久塑 性较低的 试料的裂纹 扩 展 速 率 为 的 倍 。 纯疲劳 一 条件下 的裂纹扩展 速率示于图 。 由图可知 ， 曲线 的形貌与 蠕 变裂纹 扩展速率 曲线 图 十 分 相 似 ， 然而 与蠕 变条件下的结果正 好相反 ， 在所给试验的 △ 值 漫 二工卜仍尸尸叭 爹口 下 ， 尸〕 了 图 蠕变裂纹扩展速率 ， △ · 匹望牛恤 范 围 内 ， 低强 度高塑性的 。 。 。 试料的扩展速率 。 比高 山 强 度低塑性的 试料大 一 倍 。 图 示 出了应力强度因子 比 二 ” 一 二 口 蠕 变 疲劳交互作用 条件下 的 裂 纹扩展速率 。 由图 可知 ， 两种试料的裂纹扩展速率 在试验条件下几乎完 全 相 同 ， 曲线 明显地分成三个阶 段 ， 在不 同的△ 值范围 ， 曲线具有不 同的斜率 。 二 常数 ’ ， 不同 和 。 的蠕 变 疲劳交互作用 下的裂 纹 扩 展速率示于图 。 图 中下面横坐标为 △ ， 上面横坐标为 ， 纵 坐 标 为 通 常 的 ， 符号定义为

10- 10-2 10012 ●--140012 140019 0一140019 650C f=0.5Hz. R=-1 102 10-3 103 104 T=650℃ 0.5Hz 10-5 104L 200 4005006007008009001000 250 300350400450500 AK,N/mm3/2 AF 图4疲劳裂纹扩展速率 图5蠕变疲劳交互作用裂纹扩屉速率 Fig.4 Low cyele fatigue crack growth rates Fig.5 Creep-fatigue interaction crack growth rates △K=Kma:-Kmin Kaan=Kmx十Kmin 2 故有，Kma=常数=△K+Km。ano Kmeau N/mm3/2 750600 400 200 0 -10012 10-3 0- -1H0019 10-3 8 104 109 1=650 C 0.5H2 Kmax =750N/mm3/2 105 10 200 400 600750 3K,N/mm3/2 图6恒应力强度因子福条件下的裂纹扩展速率 Fig.6 Crack growth rates under the condition Kmax=constant 图6表明，在蠕变条件（△K=0) da/dt(140012)>da/dt(140019); 而在纯疲劳条件下（△K=Kmx=735N/mm/“;Kman=0),结果正好相反，为 da/dW(140012)<da/dN(140019), 在其它R(Kmim/Kmx)值状态下，则是上述两个极端状态的过渡。 180

时 一 分 矛 … 名 妒 梦才厂创 严 ’ 奋 场 。 口一皿认 ， 才 ， 少 一脚 娜 娜砰 一 砂 套 ‘ 卜‘ 取 … “ ’ 、愚宣么已乞叭 卫召 之它茗勺为巨。三 人 石 八 ， 了 图 疲劳裂纹扩展速率 。 △ 图 蠕变疲劳交互作用裂纹扩展速率 一 五 尤二 二 一 叫 。 。 二 州 。 故有 ， 。 二 二 常数 △尤 十 。 。 。 际 。 ， ， 下 乏么日三‘ 卫召 三 一 主 工 一 轰全 沙日尸厂 兰匕二 于 一乃科，人八切 多曰 ﹄︸‘ ‘ ‘ 粉 川 云 舀 腼 盯一 言 ﹄︺﹄尸。、 ︶月卫召 。之考三’ 七 八 ， 图 恒应力强度因 子幅条甲目 的裂纹犷展速率 名 名 口 五 二 巴 图 表 明 ， 在蠕变条件 △ 而在纯疲劳条件下 △ 二 兀 ’ ‘ 全 ， 结果正 好相反 ， 为 在 其它 云。 二 值状态下 ， 则是上述 两个极端状 态的过渡