保载时间对GH220合金周期持久断裂行为的影响

[D0I:10.13374/j.issn1001053x.1986.s1.010 北·京钢铁学院学报 1986年6月 Journal of Beijing University Special issue 专辑1 of lron and Steel Technology 1,】986.6 保载时间对GH220合金周期持久 断裂行为的影响 汪林叶锐曾 周守礼杜宝泉 (高温合金教研室) (420厂) 摘 要 本文研究了在不同保载时间下GH220合金周期持久断裂行为.采用了二种热处理工艺（等温弯晶工艺 和标准直晶工艺)，结果表明，在750,800,850及800'C,保载时间为0一32min及o持久条件下， 二种品界状态的GH220含金都不符合线性累积损伤规则Σ△t/1:+N:/Nr=1,一般表现为明显地强 化。实验表明，保载时间对GH220合金的周期持久断裂寿命有很大影响。随着保载时间的变化，断裂 寿命出现一个最大值.当保载时间小于3min时有弱化的趋势。本文通过TEM,SEM及金相等手 段，研究分析了保载时间严重影响GH220合金断裂券命的微观机制并从位错组态、位错结构及滞弹性 等角度解释保戟时间影响GH220合金不同的周期特久强化程度。 关键词：频变一疲劳交互作用，保载时间、强化。 Influence of Hold Time on the Behaviour of Cyclic Endurance Failure in A Ni-Base Alloy Wang Lin Ye Ruizeng Zhou Souli Du Baoguan Abstract The behaviour of cyclic endurance failure have been researched under di- fferent conditions of temperature and hold time.Two kinds of heat treat- ment method are used to get the different structure of grain boundary.The results show that the alloy with both kinds of G.B.state are all not agree- ment with Linear-Damage Summation:t/t.+N./N,=1 under conditions of temperatuers 750,800,850,and 900C,and hold time 0-32(min).In general, all specimens are strengthened very clearly.There is great influence of hold time on the cyclic failure life of alloy.The peak of this life vs hold 75

年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 灿 川 了 斌 专 辑 沁 一牛一份 一 一 三 一 二 一 一 ， 吮 几 ，罕 二吮粤一 一一 蕊扮 一 井 二 二布井 泛 击 炭称尽 吮二一一 一 ‘ —一一 一 保载时 间对 合金周期持久 断 裂 行 为 的 影 响 汪林 叶锐曾 周守礼 杜宝泉 高温 合金 教 研室 厂 今 摘 要 木 文 研 究 了 亦 不 同保费 时 间 下 。 合食 周 期特 次 断 犁 行 为 乎 田 了 一 釉 执朴 翎 下 寸 蜓 视 杏 凰 下 寸 和 标准直晶 工艺 。 结 果表明 ， 在 ， ， 及 。 。 ， 保 载时 间 为 一 及 持 久条件下 ， 二种 晶界状态 的 含金都不符 合线性累 积损 伤规则 艺 △计 ， 一 。 一般表现为 明显地 强 化 ‘ 实验表 明 ， 保 载时间 对 合金 的 周 期持久断裂 寿命有很 大影 响 。 随着保 载 时 间的 变化 ， 断裂 寿命出现一个最大值 。 当保载 时间 小于 二认 时有弱化 的趋势 。 本文通 过 ， 及 金 相 等 手 段 ， 研 究分析 了保 载 时 间严 重影响 。 合金 断裂寿备的微 观机制 并 从位错 组态 ‘ 位错结构及 滞 弹 性 等 角度解释 保 载时 间影 响 。 合金不 同的周 期持久 强化 程 度 。 关键 词 蠕杏一疲劳 江 作 瓜 保翻 间 、 强 记 切 一 沙 刀 口 刀’ 邓 ” 儿 “ 。 卿 玉 士 己 工 叮 七 了 一 ， ， ， ℃ ， ， 。 一 且 五 川 七 卫 了 扛 莽 。 ， 牛 肠 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1986．s1．010

time is occurred.Trend of weakening is begun when hold time is shorter than 3 min, The micro-mechanism have been analyzed by means of TEM,SEM and so on,These phenomenon are explained with dislocation structures and anela- sticity. Key words:creep-fatigue interaction;hold time;strengthening 前 言 叶片在实际使用过程中，所承受的应力频率范围很宽，自高周(~2.5×105cpm)至低 周（飞行一次为一周），这样叶片所受的应力非常复杂(1)。尽管近几年来已有许多材料 工作者对频率的作用作了大量的研究(2一4)，包括研究在蠕变一疲劳交互作用下材料的断裂 行为。但是，颜率的影响程度，在不同保载时间下材料的断裂行为，是强化还是弱化？保载 时间对材料的断裂行为的影响机制是什么？这些问题到目前为止还都不很清楚。尤其对于本 文所研究的新材料来说有必要进行模拟工作状态的力学性能实验。这对全面评价GH220合金 的力学性能无疑是必不可少的。 本文的研究目的就是要了解在不同保载时间下，GH220合金的周期持久断裂行为，弄清 保载时间影响合金断裂寿命的程度并力图从微观机制上揭示保载时间的作用。 1材料及试验方法 本实验选用抚顺钢厂和上钢五)厂生产的GH220合金棒材，由四二○厂提供。合金采用真 空感应炉治炼，再经真空自耗炉重熔，钢锭用不锈钢包套轧制成，中32一33mm棒材。二炉合 金的化学成分基本相似，见表1。 表1 试验用合金的化学成分 Table 1 Chemical Composition of tested Alloys (wt%) Element C Mn Si Cr Ni Co Mo Al Ti B Heat 1H210016 0.53 Residue <0.】 10.08 Base 15 5.53 5.83 4.3 2.38 .0164 142-21 0.53 <0.2 .06 10.11 Base 5.53 5.66 4.2 2.38 0175 Element Ce Fe Sb Sn As Ag Bi Heat 1H210016 Trace 0.03 <0.1 .004 .0015 0.3 <0.3 <0.01 <0.1 <.012 .099 .001 142一21 Trace 0.15 0,2 .004 .0025 0.27 .C005 0.012 <0,1 <,025 .024.001 76

仁 盯 。 五 卜 ， 一 了 七 扭 、 ‘ 。 ， 一 前 言 叶 片在实际使 用过程 中 ， 所 承受 的应 力频率范围很宽 ， 自高周 只 ‘ 至 低 周 飞行 一 次 为一周 ， 这 样叶 片所受 的应力非 常 复杂〔 ‘ 〕 。 尽 管 近几 年 来 已 有 许 多 材 料 工作 者对频 率 的作用作 了大 量 的研究 〔 一 〕 ， 包括研究 在蠕变一 疲劳 交互 作 用 下材 料 的断裂 行 为 。 但是 ， 频 率 的影响 程度 ， 在 不 同保 载时 间下材 料 的断裂行 为 ， 是 强化 还是 弱化 保 载 时 间对材 料 的断裂行为 的影响 机制是什么 这 些 问题到 目前 为 止还都不很 清楚 。 尤其对于 本 文所研究 的新材 料来 说有 必要进 行 模拟 工作状 态 的力 学性 能 实验 。 这对 全面 评价 合 金 的力 学性能无 疑是必不可 少 的 。 本 文 的研究 目的就是要 了解 在不 同保 载时 间下 ， 合 金 的周 期持 久断 裂行为 ， 弄 清 保 载时 间影响 合 金断裂 寿命 的程 度 并力图从微 观机制上揭示保 载时 间的作用 。 材 料 及 试 验 方 法 本实验选 用抚 顺钢 厂和 上钢五厂 生 产 的 合金棒材 ， 由四二 厂提 供 。 合金采用真 空感 应炉 冶炼 ， 再经真 空 自耗炉 重 熔 ， 钢锭 用不锈 钢包套 轧制成 中 一 棒材 。 二炉合 金 的化学成 分基本 相 似 ， 见 表 。 表 试 验 用 合 金 的 化 学 成 分 罚它翟潺粼 厂一芍 、 …—” 、 、 、 」 … · 卜一一一 汗撬 一 一 川一厂 一 一 … 一 … 一 一︺ 一 一 一一 一 一︸ 。 。 一 …一 · … …… …。 一 一 二…认川 一订 一 一 瑞 一 … 一 流 一 … · · … 。 创、袅 黑长七到到 、黑

在试验过程中为避免由于炉号不同引起的误差，在相同温度，不同保载时间的试验都采 用相同的炉号。 试验采用了二种热处理工艺：等温弯晶工艺及标准直品工艺。 等温弯晶工艺： 空冷 1220℃/4h)1070℃/2.5h/空冷+950℃/2h/空冷 标准直品工艺： 1220℃/4i/空冷+1050℃/4h/空冷+950℃/2h/空冷 二种热处理工艺所得的G220合金，其晶粒度均为2一3级。标谁直晶工艺所得的晶界 是平直的，等温弯晶工艺所得的晶界是弯曲的，二者都是以Y'相沉淀强化，Y'相的含量 ヘ42%，品界碳化物都是以M。C相为主，并呈链状分布。 试验是在改装的杠杆式高温持久强度试验机上进行，试验机结构如图1所示。 t min 1 图2试验载荷谐 16(⊙口 Fig.2 Schematic diagram of tested 笔-二-☐6 Load cycle 试验中选用的载荷波形为梯形波，如图2 图1 1丝杆2.手轮3.下拉杆4试祥5，上拉杆 所示。初载o,均为10MPa最大应力对应于四 6.板条7.平衡垂8.主负荷杠杆9.初负荷杠杆 个不同的试验温度分别采用，643.6MPa、 i0.初负荷13，主负荷14减速器15.单相可逆 519.4MPa、396MPa及294MPa。应力误差范 电机16.定时器 Fig.1 Schematic drawing of cyclic 围小于±1%。图2中，t,为加载及卸载时 endurance test machine 间，均为0.5min,△t为上保载时间，随实验 1.Leading screw 2.Handwheel 3.Ten- sion link 4.Sample 5.Tension link 要求调节，下保载时间近似为零。试验采用了 6.Latb 7.Balance weight 8.Lever of △t=0min接近于纯疲量，△t=3,8,16, main load 9.Lever of original load 10.Original load 13.Main load 14.Reta- 32mn及△t=‘c∞’（纯持八）六个保载时间。 rder 15.Reversibale motor 16.Timer 试验高温炉分上、中、下三段控温，在试样标 距范围内温差小于±1.5℃。 试样为标准高温持久试样。直径为5mm,标距长25mm。 试验温度选用750,800,850和900℃这四个温度，以便全面了解GH220合金在使用温度 范围内的周期持久性能。GH220合金的熔点为1383±5℃因此，对应的T/Tm分别为0.618， 0,648,0.678和0.708。都大于0.5，即属于高温范围。 每个试样断口表面均在JEOL-35扫描电镜上直接观察，断口表面在观察前均用柠檬酸 液清洗。 77

一 在试验过程 中为避免由于 炉号不同引起的误差 ， 在相 同温度 ， 用相 同的炉 号 。 试验采用 了二 种热处理工 艺 等温 弯晶工艺及标准直晶工艺 · 等温 弯晶工艺 空 冷 不同保载时 间的试验都采 ℃ 一今 ℃ 空冷 ℃ 空冷 标准直 晶工 艺 ℃ 必 空冷 那 扭 空 冷 此 空冷 二种 热处理工艺所 得 的 工于 合 金 ， 其 晶粒度 均为 一 级 。 标准直 晶工 艺所 得 的 晶界 是平直的 ， 等温 弯 晶工艺所得的晶 界是 弯 曲的 ， 二者都是 以 ’ 相 沉 淀 强 化 ， 丫 ， 相的含量 ， 晶界碳 化物都是 以 ‘ 相 为主 ， 并呈链状分布 。 试验是在 改装 的杠杆式高温持 久强度 试验机上进行 ， 试验机结构如图 所示 。 △ 乞 。 名 止认 一 一 一 一 一 一 ‘ 一 一 一 一 一 一 又飞 ，门， ‘ 亡 ， 主 寻奥户冲 〔 〕 托 图 试验 载荷谱 。 居尸。 七口 主 图 丝杆 手轮 。 下拉杆 试样 上拉杆 板条 平衡锤 主 负荷杠杆 初 负荷杠杆 初 负荷 此 主 负荷 减 速器 单相 可逆 电机 定 时 器 ， 澳 定 全 亡 工 试验 中选 用 的载荷波形 为梯形 波 ， 如 图 所示 。 初载 口 。 均为 最 大应力 对应于 四 个不 同的试验温 度 分 别 采 用 ， 、 、 及 洲 。 应力误差范 围小于 士 。 图 中 ， ， 为加 载 及 卸载时 间 ， 均 为 ， △ 为上保载时间 ， 随实验 要求调 节 ， 下保 载时 间近似为零 。 试验采用 了 △ 二 接近于 纯疲量 ， △ 之 ， ， ， 而 及 △ ‘ 。 ’ 纯 持 久 六个保载时间 。 试验高温炉分上 、 中 、 下三 段控温 ， 在试样标 距范围内温差小于 士 ℃ 。 试样为标谁 高温持久试样 。 直径为 ， 标距长 。 试验温度选用 。 ， ， 和 ℃这 四个温度 ， 以便全面 了解 。合金在使用温度 范围内的周期 持 久性能 。 合 金 的熔点为 生 士 ℃ 因此 ， 对应 的 分别为 ， ， 。 ， ‘盯 和 都大子 ， 即属于 高温范 围 。 每个试 样断 口 表 面均在 一 扫描 电镜上直接观察 ， 断 口 表面在观察前均用柠檬 酸 液清洗

为了解GH220合金在周期持久断裂过程中的组织变化及微观断裂机理，对二种晶界状态 GH220合金在850℃，396MPa,△t=8min的条件下进行断裂过程分析。利用透射电子显微 镜观察，分析了位错组态，位错结构由于保载时间的不同而产生差异，从而确定保载时间在 周期持久过程中的作用。透射电子显微镜的位错观察主要在EM-400T,EM一420上进 行。 2实验 结 果 图3一图6是四个不同温度下GH220合金断裂周次Ni~累积保载时间∑△t的关系。这 里，△t为保载时间。从图中可以看出，无论什么温度、应力及保载时间，弯晶(17#)GH220 合金的周期持久断裂寿命或断裂周次均高于直晶(15#)合金的同类性能，说明弯曲晶 界热处理工艺不仅在常规力学性能方面提高合金的性能，在蠕变一疲劳交互作用的情况下， 也同样能大幅度提高合金的断裂寿命。无论是静态力学性能，还是动态力学性能，弯曲晶界 的有利作用是很明显的。弯曲晶界对强化合金，改善合金性能的作用是不可忽视的。 从图3一图6中还可发现，由于保载时间的不同，发现断裂累积保载时间∑△t高于持 久断裂寿命的现象，这种现象很普遍，即在周期持久的条件下，GH220合金出现了强化现 象。 Taira(5〕将蠕变一疲劳交互作用下材料的断裂设想为由蠕变损伤与疲劳损伤分别作用于 材料，使材料失效，并提出当蠕变损伤和疲劳损伤的寿命分数总和达到100%时，材料发生 8a0℃ 0173 9I5年 017 ●15华 e 3 2 100 200 100 200 Σ△t,h Σ△t,h 图3750~C下，断裂周次与累积保载时间的关系 图4800'C下，断裂周次与系积保载时间的关系 注：750°C,643.6MPa 注：800'C,519.4MPa Fig.3 Fracture cycles VS accumulate Fig.4 Fraclure cycles VS accumulate hold-load hold-load time at 750'C time at 800'C 78

为了解 合 金在周期持久断裂过程 中的组织 变化及微 观断裂机理 ， 对二种 晶界状态 合 金在 ℃ ， ， △ 的条件下进 行断 裂过程分析 。 利 用透 射电子显微 镜观察 ， 分析 了位错 组 态 ， 位铅结构 由于 保 载时间的不 同而产生差异 ， 从 而确定保载时 间在 周 期 持久过程 中的作 用 。 透 射 电子 显微镜 的位错 观 察 主 要 在 一 ， 一 上进 行 。 实 验 结 果 图 一 图 是 四个 不 同温 度下 。 合 金断裂周 次 、 累 积保 载时 间 △ 的 关系 。 这 里 ， △ 为保 载时 间 。 从 图 中可 以看 出 ， 无论什么 温度 、 应 力 及保 载时 间 ， 弯 晶 合 金的周 期 持久断裂寿命或 断裂 周 次 均 高于直 晶 合 金 的 同 类 性 能 ， 说 明 弯 曲晶 界热处理 工 艺不仅 在常规力 学性 能方 面提 高合 金 的性 能 ， 在蠕 变一疲 劳交互作 用 的情 况 下 ， 也 同样能 大幅 度提 高合金 的断裂寿命 。 无 论是 静态力 学性 能 ， 还是动态力 学性 能 ， 弯 曲晶界 的有利 作 用是很 明显的 。 弯 曲晶界对 强化 合金 ， 改善 合金性 能 的作 用是 不可 忽视 的 。 从 图 一 图 中还可 发 现 ， 由于 保 载时间的不 同 ， 发现 断裂 累积 保 载时 间 乙 △ 高于 持 久断裂 寿命的现 象 ， 这种现 象很普遍 ， 即在周 期 持久 的条件下 ， 合金 出现 了强 化 现 象 。 帅 将蠕 变一疲 劳交互作 用下材 料的断裂设想 为 由蠕 变损伤 与疲 劳损伤分 别作 用于 材 料 ， 使材料失效 ， 并提 出当蠕变损伤和 疲 劳损伤 的寿命 分数总和 达 到 时 ， 材料发 生 了 ‘ 名 少 名 ℃ 主 容 牛 艺 △ ， 图 。 。 下 ， 断裂 周 次与累 积 保 载时 间 的关 系 注 ’ ， ， 一 ‘ 乏 △ ， 旷 下 ， 断裂 周 次 与 累 积 保 载 时 间 的关系 注 ， ， 上 如 一

… 50L 900C 12 217年 0 i00 200 100 At.h E△t,b 图5850'C下，断裂周次与器积保载时同Σ△t的关系图6900C下，断裂周次N与累积保载时间Σ△t的关系 注：850'C,392MPao17#·15# 注：900C,294MPa Fig.5 Fracture cycles VS accumulate hold- Fig.6 Fracture cycles VS accumulate load time at 850'C lold-load time at 900'C 断裂，即蠕变疲劳线性损伤积累规则： z△t/ty+N,/N,=1 (1) 式中，∑△t是对应于某一保载时间，在循环载荷下至断裂的累积保载时间；tr是蠕变断裂 时间；z△t/ty为蠕变损伤分数。.N:是对应于同一△t在循环载荷下至断裂的循环周次；N: 是纯疲劳至断裂的循环周次，NN:为疲劳损伤分数。对实验数据作归一化处理，以N/N:及 ∑△t/t,分别作为纵、横坐标，可得到图8一图12所示的蠕变疲劳复合损伤图。从图上看 出，在四个温度下，二种晶界状态的GH220合金都不符合线性损伤累积法则，除750℃， 750℃ 8《 1. 1.0 07* 1.0 2. EAC 图7750'C时的蠕变疲劳复合损伤图 图8800'C时的蠕变度劳复合损伤图 注750C,643.6MPa 注800C,519.4MPa Fig.7 Creep-fatigue interaction curves at 750'C Fig.8 Creep-fatigue interaction curves at 800'C 79

巨止兰 、 丫味丈 性 之 乙 态 七 ， 乙 八七， 五 图 丫 下 ， 断裂 周 次与 累 积保载 时 间 艺 △呻勺关 系 图 ’ 下 ， 断裂 周 次 与累 积保 载时 间 艺 △ 的关系 注 ， 尸 ” · 注 ， 一 ’ 一 断裂 ， 即蠕变疲 劳线性损伤积 累规则 ￡ △ 丫 十 式 中 ， 名 △ 是对应于 某一保载时间 ， 在循环 载荷 下至断裂 的累积保 载时 间 是蠕 变断裂 时间 脚 为蠕变损伤分数。 是对应于 同一 △ 涟循 环载荷下至断裂 的循环周 次 是纯疲劳至 断裂 的循环周次 ， 为疲劳损伤分数 。 对 实验数据作 归一化处理 ， 以 ，及 压 七 丫 分别作 为纵 、 横坐标 ， 可 得到 图 一 图 所示 的蠕 变疲 劳复合损伤 图 。 从 图 上看 出 ， 在四个温 度下 ， 二种 晶界状态 的 合金 都不符合 线性损伤 累积 法 则 ， 除 ℃ ， 了 了户 川狱 洲 、 ‘ 「飞、 汽 万 行 、 ， 宇伞 八七 弋 么七 飞犷 图 了 卿 ‘ 时 的 蠕变疲劳复合损 伤图 注 丁 ， 一 图 时 的蠕变疲劳 复合损 伤图 注 ‘ ， 士 一 ’