迭加压应力的疲劳蠕变交互作用下的断口分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1990.06.024 第12卷第6期 北京科技大学学报 Vol,12 No.6 1990年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov,1990 迭加压应力的疲劳蠕变交互 作用下的断口分析 杨王玥*张济山·陈国良· 摘要：对在700℃，迭加压力过载峰SPp=-196MPa的复杂波形载荷作用下，试样的 显微断口形貌进行了分析。由于SP的作用使得疲劳条纹呈现有规律性的半圆弧形宽间距条 纹，借助于它，测得疲劳裂纹扩展速率da/dN与△K的关系服从Paris公式，我劳裂纹Ⅱ阶 段与】阶段扩展交替出现的形貌证实了：在大应力条件下，裂纹的扩展并不是长裂纹的延伸， 而是短裂纹的“超前开动”及“跃迁式”连接过程。由于Sp的作用，断口上出现了三种不 同形貌的“台阶”结构及宽条纹上的“挤人”、“挤出”、“二次裂纹”形貌，证实了被 劳条纹形成的滑移机制及形成上述形貌的品体学位向关系。裂纹的疲劳螞变混合形貌反映 了高温下交互作用的影响。 关健词：断口分析，疲劳条纹，疲劳裂纹扩展速率，度劳蜢变交互作用 Fractography on the Fatigue-creep Interaction under Compressive Overload Yang Wangyue.Zhang Jishan'Chen Guoliang' ABSTRACT:A detailed fractographic analysis was performed on a nickel-based superalloy under complex loading with superimposed compressive peak overload at 700C.The fatigue cracks were observed to be presented in semicircular striations with relatively wide spacing.The measured fatigue crack growth rate da/dN from the fractography was found to be related to Ak in the way of paris formula.It also indicated that fatigue cracks were not propagated continuously by extending a long crack but by a successive process of "stimu- 1989一09一25收稿 ,材料科学与工系(Department of Materials Science and Engineering) ·535·

卜、 、 第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ， 。 迭加压应力的疲劳蠕变交互 、 、 作用下的断 口 分析 杨王势 ， 张济山 ‘ 陈国 良 ‘ 匕、 摘 要 对 在 ℃ ， 迭 加 压 力过 载 峰 一 的 复杂波 形载荷作用 下 ， 试样的 显微断 口 形貌进行了分析 。 由于 的作用使 得 疲劳条纹呈现有规 律性的半圆弧 形宽 间距条 纹 ， 借助于它 ， 测得 疲劳裂纹扩展速率 ‘ 与△ 的关系服从 公 式， 应 劳裂纹 阶 段与 阶段扩展 交替出现 的形貌证 实 了 在大应 力条件下 ，裂纹的扩展 并不是长裂纹的 延 伸 ， 而是 短裂纹的“ 超前开 动 ” 及 “ 跃迁 式 ” 连 接过 程 。 由于 斗 的作用 ， 断 口 上 出现 了 三 种不 同形貌 的 “ 台阶 ” 结 构 及宽条 纹 上 的 “ 挤 人 ” 、 “ 挤 出 ” 、 “ 二次 裂纹 ” 形 貌 ， 证 实 了 疲 劳条 纹 形 成 的 滑 移机制及 形成 上述 形 貌的 晶体学 位向 关系 。 裂纹的 疲 劳蠕 变混 合 形貌 反 映 了高温下 交互 作用 的影响 。 关键词 断 分 析 ， 疲 劳条 纹 ， 疲劳裂纹 扩展 速 率 ， 疲劳 蠕 变交 互 作用 一 夕 夕夕 “ 夕 ， 夕 一 口℃ 。 、 一 ， 从 “ ，、 一 一 收稿 材料科学 与工 程系 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．06．024

nated nucleation at the front of crack tip"and 4jump connection"with the main crack.Under the effect of the superimposed Sp there were three different types of "step"morphologies observed on the fracture surface,a crystallographic or- ientation relationship in the morphologics were proposed.The mixed fatigue and creep morphology reflected the influence of their interaction al high tempera- ture. KEY WORDS:fractogrsphic analysis,fatigue strialions,faligue crack growth rate,creep fatigue interaction 在不同随机谱的程序载荷下，裂纹扩展研究是断裂科学的特殊领域。疲芳裂纹显微断口 分析为断裂过程物理和实际解释提供良好的基础。室温疲劳显微断口中疲劳条纹的研究证实 了条纹间距和载荷作用的一一对应性：’。但迄今为止，对于承受复杂应力状态的高温材 料断口形貌与载荷对应性的研究尚不充分。本文从分析迭加压力峰值的高温疲劳蠕变交互作 用断口形貌入手，直接从断口获得有关裂纹扩展及断裂机理的：息。 1试验材料与试验方法 (1)试验材料试材为基高温合金GH698,试样尺寸见文献〔3)。 (2)试验方法力性试验在HP85一9500 系统微机控制的电液伺服材料试验机上进行。 2 试验采用应力控制，试验温度700℃，在空气 中进行，试验波形如图1所示。 借助JEOL JSM-一35CF扫描电镜，完成 显微断口门分析工作。观察前，将断口在(30% KMnO,+25%NaOH)水溶液中煮沸，并经过 Sn=(-5/2 饱和草酸溶液及20%柠檬酸水溶液超声振荡清 =5n5/2 Sun=Sa+Sm 洗，去除高温氧化物以确保SEM观察的清晰度。 本试验所观察的断口试样，其迭加压应力 Time 过找Sr的间隔时间均为3min,最大应力Sm.x= 图I试验波形 735MPa。载荷循环由两部分组成，一是基载 Fig.1 Load wave for tests 循环交变应力S。=392MPa(除了注明S。=98 MPa的以外)，1Hz方波循环，另一部分是Sm.x一Sp组成的大应力循环，Sn=l96MPa,频 事(1/180)Hz。由此构成了独特的断口形貌，它反映了在复杂的疲劳蠕变交互作用应力条 件下裂纹扩展的特征。 2试验结果与讨论 2,1裂纹扩展方式 (1)大应力下的裂纹多源萌生大应力被劳的裂纹是多源萌生的，外源多分布在圆形断 •536·

。 ” “ ” 认 一 、 “ ’， ， 卜 ， ， ， 一 ， 在不 同随机谱 的程序载荷下 ， 裂纹 扩展研究是 断裂科学 的特殊领域 。 疲 劳裂纹 显微断 日 分 析为断裂过 程物理 和实际 解释提供 良好 的基础 。 室 温疲 劳显微 断 口 中疲 劳条纹 的研究 证 实 了条纹 间距和 载荷 作 用的一 一对应性 ‘ ” “ ’ 。 但 迄 今为 止 ， 对于承受复杂应 力状 态 的 高 温 材 料断 形 貌 与载 荷 对 应性 的研究 尚不 充分 。 本文 从分 析迭 加压 力峰值 的高温疲 劳蠕变 交互 作 用断 形 貌入 手 ， 直接 从断 口获得有 关裂纹 扩展 及断裂 机理 的信息 、 。 试验材料与试验方法 试验材料 试材为镍基高温合金 ， 试样尺 寸见文 献 〔 〕 。 试 验 方法 力性 试验在 一 斗兰一 一 一 一 断哒 尸。﹄叨 川 一 万 ， 万 ‘ · 二 ‘ 日 卜 ‘犷 丫 一弃 仃阳 、 ‘ 万 二 万。 十 万 一 一 … ‘ 频 图 试验 波 形 ‘ 系统微机 控制 的电液伺服材料试验机上进 行 。 试验采用应 力控制 ， 试验温度 ℃ ， 在空气 ，卜进 行 ， 试验波形 如图 所示 。 借助 一 扫描 电镜 ， 完 成 显微断 分析工 作 。 观察前 ， 将断 口在 水溶液 中煮 沸 ， 并经 过 饱 和草酸溶 液及 柠檬酸 水溶液超声振荡清 洗 ，去除高温氧化 物 以确保 观 察的清晰度 。 本 试验 所观 察的断 口 试 样 ， 其 迭 加压应 力 过 载 的 间隔时 间均为 ， 最大 应 力 二 。 载荷循环 由两 部分组 成 ， 一 是基 载 循环 交变应 力 。 二 入任 除 了注 明 。 的 以 外 ， 方波 循 环 另一 部分是 ， 。 一凡组 成的大应 力 循 环 ， 。 ， 率 。 由此构成 了独 特 的断 形 貌 ， 它 反映 了 在复杂的 疲劳蠕变交 互 作 用应力条 件下裂纹 扩展 的 特 征 。 试验结 果与讨论 裂 纹 扩 展 方 式 大 应 力下 的裂纹 多源萌生 大 应 力疲 劳的裂纹 是多源 萌生的 ， 外源 多分布在圆形 断 ·

口的近半个圆周上，此外还有内源。当主裂纹S开动后，由于裂纹尖端塑性区的影响，使得 位于裂纹前方的夹杂、缺陷等处在疲劳载荷的继续作用下萌生新的裂纹S2、S…S.(图2)。 10.0um 图2大应力下的疲劳多源萌生及“台阶”结构 Fig.2 Multi-nucleation of fatigue under high stress and "step"structure (2)裂纹I阶段扩展出现Smx一S条纹主裂纹核心S,在试样表面形成后，立即沿滑移 带的主滑移面向内部伸展，此滑移面的取向大致与正应力轴呈45°交角。令人感兴趣的是，由于 在Sa基载循环上迭加Smx一Sp过载循环，提高了裂纹尖端的应力强度因子幅，使裂纹扩展 的I阶段最大切应力平面上出现了与解理河流垂直的清晰的规则弧形细密条纹（图3）。它表 明，这种复杂应力的疲劳蠕变交互作用改变了主裂纹源区单纯的疲劳裂纹I阶段的解理扩展 方式。 10.0tm 图3主裂纹源【阶段扩展中的Smx一SP条纹 Fig.3 Smax-Sp striations during propagation of the main crack in I stage (3)裂纹I阶段扩展的宽间距条纹、细条纹与二次裂纹进入I阶段扩展以后，裂纹改变 原方向，沿着与正应力垂直的方向扩展。由Smax一S大应力循环产生的条纹以源区为中心呈 弧形、沿着裂纹扩展方向迅速变宽（图2）。随着裂纹加深，宽条纹中逐渐出现细密条纹， 当裂纹达到某一长度，即△K或Kmx达到某一值时，宽条纹中的细条纹数与迭加S间隔时间 △内的基载循环周次接近（图4）。它证实了断口形貌与载荷经历一一对应性，同时表明， 疲劳条纹的清晰程度取决于应力强度因子而不是应力。 随着裂纹的继续扩展，条纹间的二次裂纹增多、变宽。由于Sm×一S循环中压应力蜂 S的作用在宽条纹上形成比基载循环间的二次裂纹宽得多的“二次裂纹沟槽”。 (4)裂纹I阶段扩展前的I阶段裂纹源如图2所示，裂纹扩展中的I阶段疲劳条纹并 ·537

口的近半个圆周上 ， 此外还有 内源 。 当主裂纹 开动后 ， 由于裂纹尖端塑性区的影响 ， 使得 位于裂纹前方的夹杂 、 缺陷等处在疲 劳载荷的继续作用下萌生新的裂纹 、 … … ， ‘图 。 图 大应 力下的疲劳多源萌生 及 “ 台阶 ” 结构 一 呈 红 吐 ， ” 裂纹 阶段 扩展 出现 。 。 一 条纹 主裂纹 核心 ，在试样表 面形 成后 ，立即沿滑移 带的主滑移面 向内部伸展 ， 此滑移面的取 向大致与正应力轴 呈 “ 交角 。 令人 感兴趣的是 ， 由于 在 基载循环上迭加 二 一又过载循环 ， 提高 了裂纹尖端的应 力强 度 因子 幅 ， 使裂纹扩展 的 阶 段最大切应力平面上出现 了与解理 河流垂直的清晰的规则弧形细密条纹 图 。 它表 明 ， 这种复杂应 力的疲 劳蠕变交互作 用改变 了主裂纹源区单纯的疲 劳裂纹 阶段的解理 扩展 方式 。 图 主裂纹源 阶 段扩展 中的 一夕 条纹 二 。 二 一 裂 纹 阶段 扩展的 宽间距条纹 、 细条纹与二次裂纹 进入 阶段扩展 以后 ，裂纹改 变 原方 向 ， 沿着与正应力垂直的 方向扩展 。 由 。 一凡大应力循环产生的条纹 以源 区 为中心呈 弧形 、 沿着裂纹 扩展 方 向迅速变宽 图 。 随着裂纹加深 ， 宽条纹 中逐渐 出现 细密条纹 ， 当裂纹 达到 某一长度 ， 即 么 或 。 达到 某一值时 ， 宽条纹 中的 细条纹数 与迭 加 间隔时 间 内的基载循环 周次接近 图 。 它证实了断 口 形貌 与载荷 经 历一一对应性 ， 同时表 明 ， 疲 劳条纹的 清晰程度取决于应力强 度 因子而不是应力 。 随着裂纹的继续扩展 ， 条纹 间的二次裂纹增多 、 变 宽 。 由于 ， 。 一 循环 中压 应 力 峰 的 作用在宽条纹 上形 成比基载循环 间的 二次裂纹宽得多的 “ 二次 裂纹沟槽 ” 。 裂纹 阶段 扩展前的 阶段裂纹源 如图 所示 ， 裂纹扩展 中的 阶 段疲 劳条纹并

不连续，它们之间往往为I阶段解理面、台阶结构等形貌所连接。这种I阶段疲劳条纹前沿 出现I阶段解理面C,再以此为核心发展I阶段裂纹的形貌表明了，裂纹的扩展并不是一条 长裂纹的延伸，而是已有裂纹尖端诱发前沿某一区域萌生裂纹、扩展再连接的过程。这一扩 展方式为下述事实所证实，断口上沿主裂纹扩 展方向可数的Smx一S。循环宽条纹约90条，预 测总基载循环数为90×180=16200Hz,若再加 上裂纹萌生及I阶段扩展所消耗的循环数，将 远远超过该试样的实际断裂寿命(11150Hz)。 这是由于在主裂纹由表及里疲劳扩展的同时， 主裂纹前沿某处已‘超前开动'萌生了I阶段 裂纹，继而阶段扩展，当主裂纹扩展至此I 阶段裂纹处才与它相接的缘故。如此继续，裂 纹的扩展采用了短裂纹“超前开动”、“跃 图4二次Sp之间的细条纹数 迁”式相连接的方式。进一步分析表明，主裂 (裂纹长4-1.008mm) 纹与“超前开动”的次生裂纹可能不在一个面 Fig.4 Fine striation number between 上扩展，当主裂纹接近次生裂纹时，主裂纹疲 two overload compressive peaks 芳条纹间产生的二次裂纹将不同面上的主、次 Sp 裂纹连接在一起。这一“二次裂纹面”就是前面描述的I阶段裂纹扩展前的I阶段解理扩展 面。裂纹的扩展途径是曲折的，形成了疲劳扩展区高低不平的断口形貌。 可见，当裂纹尖端应力强度因子幅足够大时，裂纹将以上述方式扩展，无疑，它将加速 裂纹扩展及材料的断裂过程。 2.2疲劳条纹的“挤出”与“挤入”形貌 迭加压应力峰使得材料经受较大的应力循环，相应地提高了疲劳条纹的规律性。由 Smx一S循环所形成的宽间距条纹，在各种不同基载循环的应力条件下都出现了沿着裂纹 扩展方向先“挤入”的二次裂纹“沟”，后凸起的“挤出”形貌见图5(a)。 Extrusion Crack Intrusion (a) (b) 图5()，Smx一Sp条纹上的“挤人”与“挤出”(b),形成示意图 Fig,5“Intrusion”ahd“extrusion”on Smax-Sp striation (a)and its schematic drawing (b) 在基载循环拉应力作用下，裂纹张开沿面心立方材料的{111}面均匀滑移，压应力作用 ·538·

不 连 续 ， 它们 之 间往往为 阶段解理 面 、 台阶结构等形貌所连接 。 这种 阶段疲劳条纹前沿 出现 阶段解理 面 ， 再 以此为核心发展 阶段裂纹 的形貌表明 了 ， 裂纹的扩 展并不是一条 长裂纹的延伸 ， 而是已有裂纹尖端诱发前沿 某一 区域萌生裂纹 、 扩展再连接的过 程 。 这一 扩 展 方式为下 述事实所证实 ， 断 口上沿 主裂纹 扩 展 方 向可数 的 。 一 循环 宽条纹 约 条 ， 预 测总基 载循环数 为 ，若再加 上裂纹萌生 及 工阶段 扩展所消耗的循环数 ， 将 远远超过该试样的实际断裂寿命 。 这是 由于在主裂纹 由表及里疲 劳扩展 的 同时 ， 主裂纹前沿 某处已 ‘ 超前开动 ’ 萌生了 阶段 裂纹 ， 继而 阶段 扩展 ， 当主裂纹 扩展至此 阶段裂纹 处 才与它 相接 的缘故 。 如此继续 ， 裂 纹 的扩展采 用了短裂纹 “ 超 前 开 动 ” 、 “ 跃 迁 ” 式相连接的方式 。 进一步分析表明 ， 主裂 纹与 “ 超前开 动 ” 的次 生裂纹可能不在一个面 上扩展 ， 当主裂纹接近次生裂纹 时 ， 主裂纹疲 劳条纹 间产生 的二次裂纹将不 同面上 的主 、 次 图 二次 之 间的细 条纹数 裂纹长 ‘ 二 凡 裂纹 连接 在一起 。 这一 “ 二次 裂纹 面 ” 就是前 面描述 的 阶段裂纹扩展前 的 阶段解理 扩展 面 。 裂 纹 的扩展途径是 曲折的 ， 形 成了疲 劳扩展 区高低不 平的断 口形 貌 。 可见 ， 当裂纹尖端应 力强 度因子 幅足够大 时 ， 裂纹 将 以上述 方式扩展 ， 无 疑 ， 它 将加 速 裂纹 扩展 及材料 的断裂 过程 。 疲劳条纹 的 “ 挤出 ” 与 “ 挤入 ” 形 貌 迭加 压应力峰使得材料经受较大 的应 力循环 ， 相应地提 高 了 疲 劳 条 纹 的 规律性 。 由 。 一 循环 所形 成的宽间距 条纹 ， 在各种不 同基载循环 的应 力条件下都 出 现 了沿 着裂纹 扩展 方 向先 “ 挤人 ” 的二次裂纹 “ 沟 ” ， 后 凸起 的 “ 挤 出 ” 形貌见 图 。 尸切的。白 〔也蔫慧 图 ， 。 一 条纹上 的 挤入 ， 与 “ 挤 出 ” ， 形成示意 图 ” ， 一 ， 呈 三 在基载循环拉应 力作 用下 ， 裂纹 张开沿 面心立方材料 的 面 均匀滑移 ， 压应力作用 · ·

时，由于裂纹尖端的高温氧化而不能闭合，闭合反向滑移是不均匀的。这种反复的滑移运动 会使滑移面间的原子结合力降低〔4？，埋伏着沿滑移面产生二次裂纹的危险。紧接着基载循环 半周拉应力之后的压应力过载蜂的作用，裂纹前端反向不均滑移使尖端塑性区产生强烈的应 力集中，在过载压应力循环的宽条纹处产生“挤入”二次裂纹“沟”，并随着解理撕裂产生 滑移带的凸起的“挤出”见图5(b)。SEM分析中这种“挤入”与“挤出”成为图象中“黑” 与“白”线的鲜明对照，形成了迭加压力过载峰SP后的清晰条纹。 2,3裂纹扩展中的“台阶”形貌 在迭加压应力过载S的复杂应力条件下，断口中多处出现“台阶”形貌，就其形貌特征 及形成机制而言，大致可分为下述三类。 (1)塑性剪切型解理台阶如图2所示，当裂纹达到一定深度时，台阶与Smx一S,循 环的宽间距疲劳条纹-一一对应。它表明压应力过载S促使裂纹以这种方式扩展。倾转样品 台，得到台阶的正视形貌（图6）。这些台阶的解理面M及剪切面N分别各自平行，台阶的侧 面P与疲劳裂纹扩展断面Q相连。经测定，M及N面间夹角约为110·，与面心立方二组{111》 面夹角接近。 图6塑性剪切型解理台阶的正视图 (M,P一塑性解理面，N一y切面，Q一茂劳裂纹扩展断面) Fig.6 Front view of plastic shear type cleavage step 这类台阶的形成机制是： ①在Sa基载循环，Smax一S循环及蠕变应力Sm的共同作用下，减弱了滑移面（如M) 间的原子结合力，使裂纹前沿一些滑移面（面心立方材料为{111}）间出现平行的微裂纹， 为以后解理开裂作了准备。 ②受Q裂纹尖端塑性区影响，在裂纹I阶段疲劳扩展的同时，在台阶面M上发生裂纹 的解理扩展，并通过侧面P相连，P、Q间出现孔洞（见图6）。 ③由于过载压下应力Sp与随后的拉伸应力Smax共同作用，在Smx一S披劳条纹上形 成“挤出”“挤入”的同时，在两组平行平面M间产生沿滑移面N的塑性剪切，形成了Smx 一S循环相匹配的“台阶”结构。 (2)孪品型台阶如图7所示，由Smx一S循环形成的宽间距条纹构成的连接台阶及两 侧基体的弯折纹线证实了，当裂纹沿着与{110}垂直的晶面扩展并穿越面心立方李晶结构时 ·539·

时 ， ，由于裂纹尖端 的 高温氧化 而不 能闭合 ， 闭合反 向滑移是不 均匀的 。 这种反 复的滑移运动 会使滑移面 间的 原子 结合 力降低 〔 减 〕 ， 埋伏着沿 滑移 面产生二次裂纹 的危险 。 紧接着基载循环 半 周拉应 力之后 的压应 力过载 峰 的 作用 ， 裂纹前端反 向不 均滑移使尖端塑 性 区产生强 烈的应 力集 中 ， 在过载 压应 力循 环 的 宽条纹 处产生 “ 挤入 ” 二次 裂纹 “ 沟 ” ， 并随 着解理撕裂产生 滑移带 的凸起的 “ 挤 出 ” 见 图 。 分析中这种 “ 挤入 ” 与 “ 挤出 ” 成为图象中 “ 黑 ” 与 “ 白 ” 线 的鲜明对 照 ， 形 成了迭 加压 力过载峰 后 的清晰条纹 。 裂纹扩展 中的 “ 台阶 ” 形 貌 在 迭加 压应 力过载 的 复杂应 力条件下 ， 断 口 中多处 出现 “ 台阶 ” 形貌 ， 就其形 貌特征 及形 成机制 而 言 ， 大致可分为下述三类 。 塑性剪切 型解理 台阶 如图 所示 ， 当裂纹达到 一定深度时 ， 台阶 与 一 循 环 的宽 间距疲 劳条纹 一一对应 。 它 表明压应 力过载 促使裂纹 以这种 方式 扩展 。 倾 转 样 品 台 ， 得到 台阶 的 正视 形貌 图 。 这些 台阶 的解理 面 及剪切 面 分别各 自平行 ， 台阶 的 侧 面 与疲 劳裂纹扩展 断 面 相连 。 经 测定 ， 及 面间夹角约为 ， 与面心立方二 组 面夹角接近 。 图 塑性剪切型解理 台阶 的正视图 ， 一塑性解理 面 ， 一剪切面 ， 一 疲劳裂纹 扩展 断 面 这 类台阶 的形 成机制 是 ① 在 基载循环 ， 二 。 一 循环 及蠕变应 力 的共 同作用下 ， 减 弱 了滑移 面 如 间的 原子 结合力 ， 使裂纹前沿 一 些滑移 面 面心立 方材料为 谧 间出现平行 的微 裂纹 ， 为以后解理开裂作 了准 备 。 ② 受 裂纹尖端塑性 区影响 ， 在裂纹 阶段疲 劳扩展 的 同时 ， 在 台阶 面 上发生 裂纹 的解理 扩展 ， 并通过侧 面 相连 ， 、 间出现 孔洞 见 图 。 ③ 由于过载压下应 力 与随后 的拉伸应力 。 共 同作用 ， 在 。 一 疲 劳条纹 上 形 成 “ 挤出 ” “ 挤人 ” 的同时 ， 在两组 平行平面 间产生沿 滑移面 的塑性剪切 ， 形 成了 一 循环相匹配的 “ 台阶 ” 结构 。 幻 李 晶型台阶 如图 所示 ， 由 。 一 循环形成的宽间距条纹构成 的连接 台阶 及两 侧基体的弯折纹 线证实 了 ， 当裂纹沿着与 。 垂 直的 晶面扩展 并穿越 面心 立 方李 晶结构时