D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.02.014 第24卷第2期 北京科技大学学报 Vol.24 No.2 2002年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2002 PM Rene95合金中夹杂物的微观力学行为 张麦仓 董建新张丽娜曾燕屏 谢锡善 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用人工植人AO,夹杂物的试样，通过SEM原位观察及非线性有限元分析，研究了 在单轴拉伸条件下P/M Rene95合金中夹杂物与基体的相互作用机理.结果表明，不同尺寸及 位置的夹杂物对拉伸进程影响不同：夹杂物/基体界面的裂纹萌生及扩展取决于界面附近基体 材料的应力状态. 关键间P/M Rene95合金：夹杂物；SEM原位观察；非线性有限元分析；裂纹 分类号TG132.32 外来非金属夹杂物的存在严重影响粉末高 厚度0.5mm 温合金制件的使用性能"-.在粉末高温合金制 36 备过程中引入的外来非金属夹杂物主要是陶瓷 10.5 颗粒，最为典型的是AlO,B.本文以人工植入 6.5 Al,O,夹杂物的P/M Rene95合金为研究对象， R6 通过SEM原位实验研究了不同尺寸夹杂物在 拉伸状态下导致裂纹萌生和扩展的机制；并利 用非线性有限元分析软件ANSYS(SASIP Inc, 1997),计算了不同尺寸及不同位置夹杂物在拉 伸载荷下，夹杂物与基体界面附近的应力、应变 图1原位拉伸试样的几何构形 分布，从宏观力学的角度分析夹杂物导致界面 Fig.1 Configuration of specimens for SEM in-situ tests 裂纹萌生的微观机理，为进一步研究夹杂物在 的第2种材料，建立夹杂物/基体材料的计算模 复杂载荷条件下的作用机制提供依据. 型，利用弹塑性有限元分析软件ANSYS,计算 夹杂物及周围基体在受力状态下的应力、应变 1研究方法 分布，结合试验结果分析和预测夹杂物在PM Rene95合金中导致裂纹萌生和早期扩展的行 1.1原位拉伸实验 为.在有限元分析计算时，将夹杂物简化为位于 实验用原材料为GE公司提供的人工植入 试样表面或心部的球形颗粒，考虑研究对象的 Al,O,夹杂物的P/M Rene95合金，采用Gatorizing 对称性，仅分析试样的1/8（当夹杂物位于心部 工艺（热挤压后等温锻造）成形.通过光学显微 时)或1/4（当夹杂物位于表面时）.如图2和图3 镜观察及扫描电镜下EDS分析，确定夹杂物的 所示为夹杂物/基体材料的计算模型及计算时 成分及位置，试样制备时保证夹杂物位于标距 的初始网格划分。夹杂物及基体材料在室温 中心.试样几何构形见图1.原位拉伸实验在 下的物理参数分别为：对PM Rene95合金，弹性 JSM-5800型扫描电镜拉伸实验台上进行. 模量E,=2.18×10MPa,泊松比D,0.3;对Al,O, 1.2非线性有限元分析 弹性模量E2=3.9×10MPa,泊松比D2-0.25.实际 将A1O,夹杂物作为与基体物理特性不同 加载过程中，基体材料的本构关系采用文献[3] 中的弹-粘塑性本构模型，对夹杂物仅考虑弹性 收稿日期2001-06-04张麦仓男，33岁，博士 变形. *国家自然科学基金资助课题No.59871007)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 扮 祖 】 合金 中夹杂物的微观力学行为 张麦仓 董建新 张丽 娜 曾燕屏 谢锡善 北京科技大学材料科学 与工程学院 ， 北京 摘 要 采用 人工植人 ， 夹杂物 的试样 ， 通过 原位观察及非线性有限元分析 ， 研究 了 在单轴拉伸条件下 月叨 。 合金 中夹杂物与基体 的相互作用 机理 结果表 明 ， 不 同尺 寸及 位置 的夹杂物对拉伸进程影 响不 同 夹杂物 基体界面 的裂纹萌生及扩展取决于界 面 附近基体 材料的应力状态 关键词 从 合金 夹杂物 原位观察 非线性有限元分析 裂纹 分类号 外来非金属夹杂物的存在严重影 响粉末高 温合金制件 的使用性能 一 在粉末高温合金制 备过程 中引人 的外来非金属 夹杂物主要是 陶瓷 颗粒 ， 最为典型 的是 〔 本文 以人工植人 ， 夹杂物 的 迎涯 合金 为研究对象 ， 通 过 原位实验研究 了不 同尺 寸夹杂物在 拉伸状态下 导致裂纹萌生 和扩展 的机制 并利 用 非线性有 限元分析软件 ， ， 计算 了不 同尺 寸及不 同位置夹杂物在拉 伸载荷下 ， 夹杂物与基体界面 附近 的应力 、 应 变 分布 ， 从宏观力学的角度分析夹杂物导致界面 裂纹萌生 的微观机理 ， 为进一步研究夹杂物在 复杂载荷条件下 的作用 机制提供依据 厚度 血丝卜二 丫兰 瓜 洲 一 雀卜 不片 岁 坠 研究方法 原位拉伸实验 实验用 原材料 为 公 司提供 的人工植人 夹杂物的 合金 ， 采用 工艺叹热挤压后 等温锻造 成形 通过光学显微 镜观察及扫描 电镜下 分析 ， 确定夹杂物 的 成分及位置 ， 试样制备时保证夹杂物位于标距 中心 试样几何构形见 图 原位拉伸实验在 一 型 扫描 电镜拉伸实验 台上进行 非线性有限元分析 将 ， 夹杂物作为与基体物理特性不 同 收稿 日期 刁 刁 张麦仓 男 ， 岁 ， 博士 国家 自然科学 基金资助课题 图 原 位拉伸试样 的几 何构形 · 一 的第 种材料 ， 建立 夹 杂物 基体材料 的计算模 型 ， 利用 弹塑 性有 限元分析软件 ， 计算 夹杂物及周 围基体在受力状态 下 的应 力 、 应变 分布 ， 结合试验结果 分析和 预测夹杂物在 迎以 合金 中导致裂纹萌生 和早期扩展 的行 为 在有 限元分析计算时 ， 将夹杂物简化为位于 试样表面 或心 部 的球形颗粒 ， 考虑研究对象 的 对称性 ， 仅分析试样 的 当夹杂物位 于 心 部 时 或 当夹杂物位于 表面时 如 图 和 图 所示 为夹杂物 基体材料 的计算模 型 及计算 时 的 初 始 网格 划 分 夹 杂 物及 基 体材料 在 室 温 下 的物理参数分别为 对 合金 ， 弹性 模量 ， ， 泊松 比。 对 。 ， 弹性模量凡 ， 泊松 比仇 实际 加载过程 中 ， 基体材料 的本构关 系采用文 献 中的弹一粘塑性本构模型 ， 对夹杂物仅考虑弹性 变形 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．02．014
◆150◆ 北京科技大学学报 2002年第2期 载方向均为水平方向).图中(a)为试样的拉伸曲 线，b)一()分别对应于拉伸曲线中3个不同的 极点 位置.图4和图5所观察到的夹杂物，其等效尺 道面 寸分别约为10m和50m.由图4和图5可知， 不同尺寸的表面夹杂，对拉伸进程的影响不同. 对于小尺寸夹杂，基体大面积屈服时（图4c),在 夹杂物/基体界面才有裂纹萌生，试样断裂于标 基体 距区的其他位置，而且匹配断口上没有夹杂物. 对于尺寸稍大的夹杂，随着拉伸载荷的增加，在 0 图2夹杂物/基体材料的计算模型及夹杂物的极点和赤 外加载荷接近基体材料的屈服强度时（约为0.8 道面示意图 G,),在垂直于加载方向应力集中的位置萌生裂 Fig.2 FEM simulation model for PM Rene95 alloy with se- 纹，并随拉伸进程的进行不断扩展（图5）.结合 eded inclusion under uniaxial tension stress 图5及图6，可以发现，虽然裂纹萌生于夹杂物/ 么 基体界面并有一定程度的扩展，但试样的断裂 主要源于心部夹杂物，其等效尺寸约为70m. 因此，夹杂物引起的试样断裂应与夹杂物的大 小、位置、形状等因素密切相关， 夹杂 2,2原位拉伸过程的非线性有限元分析 图7为夹杂物位于试样表面时，原位拉伸 过程模拟结果（加载方向沿坐标Z轴）.由图7可 知，在基体材料中应力集中最严重的部位靠近 夹杂物极点.当外加载荷o=1120MPa(约为0.8 σ，)时，夹杂物极点附近的基体材料已产生塑性 图3有限元计算时的初始网格划分 变形.由于变形不协调，可能在该区域沿夹杂 Fig.3 Initial mesh of inclusion and matrix materials for FEM analysis 物/基体界面萌生裂纹. 原位拉伸结果表明，萌生的裂纹不论沿夹 2结果与分析 杂物/基体界面还是在基体内部扩展，其方向均 2,1含不同尺寸夹杂物试样的原位拉伸实验结果 有沿垂直于加载方向的趋势.图8为将夹杂物/ 由于条件所限，在SEM下仅能对表面夹杂 基体开裂区简化为空洞时的有限元分析结果. 进行跟踪观察.为了分析方便，夹杂物尺寸以等 由图8可知，对于裂纹萌生于表面或心部夹杂 效尺寸表征，定义为：D=√S,其中S为夹杂物在 物/基体界面的情形，在单轴拉伸载荷下，基体 垂直于观察方向的投影面积.图4和图5为含 在垂直于加载方向的赤道面附近应力集中最严 不同尺寸夹杂物试样的原位拉伸观察结果（加 重，因此，裂纹沿垂直于加载方向扩展的可能性 最大，计算结果与实验结果吻合. (a)拉伸曲线示意图 (b)加载前 (c)裂纹萌生于夹杂物/基体界面 (d试样断裂时 图4原位拉伸实验结果（夹杂的等效尺寸约为10um) Fig.4 Inclusion (about 10 um in equivalent size)behavior during SEM in-situ tension procee
Vol.24 张麦仓等：单轴拉伸条件下PM Rene95合金中火杂物的微观力学行为 151 3 2 1 (a)拉伸曲线示意图 (b)加载前 (c)夹杂物/基体界面裂纹扩展 (d)试样断裂时 图5原位拉伸实验结果（夹杂的等效尺寸约为50μm) Fig.5 A blocky inclusion behavior(about 50 um in equivalent size)during SEM in-situ tension process Ni Cr Ni CNi (a)心部夹杂的位置（箭头所示） (b)夹杂物附近的局部放大 (C)夹杂物的EDS分析 图6对应于图5所示试样的断口分析 Fig.6 Fractography of SEM in-situ tension test corresponding to Fig.5 593726 67.705 715.664 (a)500 MPa (b)800 MPa (c)1 120 MPa (a)基体最大主应力分布 (b)基体中局部塑性应变区域 图7含表面夹杂物的P/M Rene95合金有限元模拟拉伸过程中最大主应力分布 Fig.7 Maximum principle stress distribution of P/M Rene 95 alloy including surface inclusion under uniaxial tension stress
·152· 北京科技大学学报 2002年第2期 (a)裂纹位于表面 (b)裂纹位于心部 图8将裂纹筒化为空洞时的有限元分析结果（加载方向及坐标系同图） Fig.8 Predicted results by FEM analysis regarding the propagated crack as a pole 3结论 ance in Relation to Inclusions.in:High Temperature Ma- terials for Powder Engineering 1990 II.Belgium,1990. (1)原位拉伸过程中，等效尺寸小于10μm的 913 夹杂，对拉伸进程影响不大；当等效尺寸大于一 2陈国样，葛立强.FGH95粉末高温合金中的夹杂物[). 定值时，心部和表面夹杂的存在可能促使夹杂 钢铁研究学报，1995(1)：35 物/基体界面的裂纹在合金屈服之前萌生，试样 3宋迎东.粉末冶金涡轮盘强度与寿命研究[学位论文]， 的最终断裂位置取决于实际夹杂物的尺寸、形 南京：南京航空航天大学，1997 4国为民，吴剑涛，张风戈，等.FGH95镍基粉末高温合金 状、位向等因素 中夹杂物对低周疲劳性能的影响[刀.金属学报，1999， (2)有限元模拟结果表明，夹杂物/基体界面 35(2):33 的裂纹早期萌生主要是由于夹杂物极点附近基 5 Amberials M H,Bretheau T.Crack Initiation from the In- 体材料的局部塑性变形；裂纹的扩展主要由于 terface of Superficial Inclusions.in:Mechanical Behavior 夹杂物赤道面附近基体材料的应力集中. of Materials,Beijing,1987.169 6张丽娜，张麦仓，李晓，等.粉末高温合金中非金属夹 参考文献 杂物问题的研究进展U).兵器材料科学与工程，2001， 1 Pineau A.Superalloy Disk Durability and Damage Toler- 243):64 Micro-mechanical Behavior of Non-metallic Inclusion in P/M Rene 95 Alloy under Uniaxial Tension Stress ZHANG Maicang,DONG Jianxin,ZHANG Lina,ZENG Yanping,XIE Xishan Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The special designed SEM in-situ tensile tests have been conducted to trace the whole process of crack initiation and propagation till to fracture in AlO,seeded P/M Rene 95 alloy.And the distribution of stress and strain around inclusions has been calculated by means of an elasto-plastic finite element method (FEM)model with the commercial software ANSYS.The results show that the characteristic parameters of inclusions such as the size,position etc.have different effect on the tension process;and initiation and propa- gation of the crack at inclusion/matrix interface are mainly determined by the stress distribution of matrix in or near this region. KEY WORDS P/M Rene 95 alloy;inclusion;SEM in-situ observation;FEM analysis;crack