保载条件下的第一类疲劳蠕变断裂特征图——疲劳蠕变交互作用研究之三

D0I:10.13374/j.is8m1001053x.1986.03.001 北京钢铁学院学报 1986年9月 Journal of Beijing University No,3 第8期 of Iron and Steel Technology Sept,1986 保载条件下的第一类疲劳蠕变断裂特征图 疲劳蠕变交互作用研究之三 陈国良何庆复高良章守华 (北京钢铁学院) 常逢元赵玉才 (西安红旗机械厂治金处) (上钢五厂研究所) 摘 要 本文在大型熔铸祸轮疲劳蠕变第一类断裂特征图基础上，进一步研究最大应力保 载对疲劳蠕变断裂行为影响及在保载条件下的第一类断裂特征图，实验结果表明 断裂周次随交变应力与平均应力变化呈现与无保载相同的，“反C”型规律。与无 保载相比，保载显著地降低断裂周次，使断裂曲线向低寿命区移动。保载增大蠕变 作用，使疲劳机构转变成蠕变机，构，扩大蠕变为主的C区，缩小疲劳为主的F区，以 至于保载足够长的时间，疲劳机构消失。在断裂机构理论分析与断口观察以及宏 规寿命规律基础上建立在保载条件下的第一类断裂特征图。该图提供了保载下 的宏观与微观资料，本文还讨论了保载时间对断裂时间影响的规律，以至竞争模 与积累模型在保载条件下的适用性、 关键词：高温合金、疲劳、蠕变及交互作用断裂机构图，带保载时间的疲芳， Fatigue-Greep Interaction Map for Tests with Dwell Time for ECD ------The program of fatigue-creep interaction III Chen Guoliang,He Qingfu,Gao Liang;Zhang Shouhua; Chang Feng Yuan,Zhao Yucai Abstract 1985一12一10收到 25

年 月 第 期 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 保载条件下的第一类疲劳蠕变断裂特征图 一疲劳蠕变交互作用研究之三 陈国 良 何庆复 高 良 章守华 北京钢铁学院 常逢元 赵玉 才 西安红旗机械厂洽金处 上钢五厂研究所 摘 要 本文在大型熔铸涡轮疲劳蠕变第一类断裂特征 图基础 上 ，进一步研究最天应力保 载对疲劳蠕变断裂行为影响及在保载条件下的第一类断裂特征图 ，实验结果表 明 断裂周次随交变应力与平均应力变化呈现与无保载相同的 ， “ 反 ” 型规律 。 与无 保载相比 ，保载显著地降低断裂周次 ，使断裂曲线 向低寿命区移动 保载增大蠕变 作用 ，使疲劳机构转变成蠕变机构 ，扩大蠕变为主的 区 ，缩小疲劳为主的 区 ，以 至于保载足够长的时间 ，疲劳机构消失 。 在断裂机构理论分析与断 口 观察以及宏 观寿命规律基础上建立在保载 条件下的第 一类断裂特征图 ， 该图提供了保载下 的宏观与微观资料 本文还讨论了保载时 间对断裂时间影响的规律 ，以至竞争模 与积累模型在保载条件下的适用性 ‘ 关锐词 高温合金 、 疲劳 蠕变及交互作用断裂机构 图 ，带保载时间的疲劳 一 一 只 一 ， 一 一 收到 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．03．004

This paper dealt with the cffect of dwell time at max.stress on the fatigue-creep interaction behavior of superalloy ECD. The resuits indicated that the cycle number of fracture decreased as. the time of dwell at max.stress increased,However,the shape of interac- tion curve was not changed.The dwell at max stress intensified the creep effect resulting in the expansion of the interaction regions with predomin- ant creep fracture (i.e.CC,.CFC regions )and the FC mixed region.mov- ed to the area with high alternative stress,even the FCC region appeared instead of CFF region. On the basis of macro-microanalysis of fracture the fatigue-creep interactioa map for the tests with dwell time was con structed,It provided the basic information of fracture mechanisms and fracture cycles for the tests with hold timc.However,the influence of hold time on the total rupture time was different:the total rupture time was increased for tests in I region, and for tests in C region it was decreased till a saturated value which is larger than that for the pure creep test at max.stress. Key words:superalloy;fatigue,creep;interaction;dwell time map 前 言 一些研究1.2)指出燃气透平用涡轮盘在稳定适行期间的工作条件更接近具有保 载时间的应力控制的疲劳蠕变联合循环。因此对具有保载条件下的交互作用机构研究更 具有实际意义。我们已经研究了无保载条件下的疲劳蠕变交互作用特征图3.4.5)表示了 交互作用是竞争模型与积累模型的统一，必须分为F区，C区与FC区分别讨论其交互作 用的本质。以及应力型交互作用及应变型交互作用等 本文试图测定具有保载条件下的废劳蠕变断裂曲线，并根据宏观寿命规律与微观机 构分析相结合的基础上建立在保载条件下的第一类交互作用的断裂特征图，并以此描述 具有保载条件下的交互作用行为，并提供宏观寿命的资料为丁程构件设计提供依据，并 讨论组织结构的影响。 1,实验材料及方法 试验用熔铸GH136涡轮盘材是'强化的铁基高温合金，它的化学成分与美国V一57 合金相似。熔铸盘具有粗大的树枝状晶组织，并具有Laves相、一次7相、MsB2、 TiCN、Y相等c6)。 试样毛坯经1050℃4小时固熔处理后空冷，然后再经700℃32小时时效后空冷。 试验选用圆棒光滑低周疲劳试样，其有效长度及园弧部分瘘削成型〔4)。 本实验采用负荷控制法在恒定最大负荷保持一定的时间，及最小应力改变，即不同 26

一 ￡ 尽 ， 曰 ， “ “ 势 件 乡“ ， ， 叮血 又 宕 一 一 一 ‘ ‘、 ， ， 、 ， 一些研究 〔 ’ 、 “ 〕指 出燃气透 平用 涡轮 盘在稳定 适行 期 间的工作 条件 更 接 近 具 有 保 载时 间的 应力控制的疲 劳蠕 变联合 循环 。 因此 对具 有保载 条件下的 交互作 用 机构研究 更 具 有实际意义 。 我们 己经研究 了无保载条件下的 疲 劳蠕 变 交 互作 用 特征 图〔 ” ， 峨 · “ ’表示 了 交 互作 用 是竞 争模型与积累模型 的统 一 ， 必须分 为 区 ， 区与 区分别 讨论其 交互作 用 的本 质 。 以及 应 力型 交 互作 用 及 应变型 交 互作 用 等 “ 本 文试 图测定 具 有保 载 条件下的疲 劳蠕 变断裂 曲线 ， 并 根 据宏观寿命 规律与微观 机 构分析 相结合 的基础 上建 立在保 载 条件下 的第 一 类交 互作 用 的断 裂 特征 图 ， 并 以此描述 具 有保载条件下 的交 互作 用 行 为 ， 并 提供 宏 观寿命 的资料 为工程构 件设计 提供 依据 ， 并 讨论组 织 结构的影响 。 实验材料及 方法 试 验 用熔铸 涡轮 盘材 是 强化 的铁 基高温合 金 ， 它 的化学 成分 与美 国 一 合 金 相似 。 熔 铸 盘具 有粗大 的 树枝状 晶组织 ， 并 具 有 相 、 一 次 叮 相 、 、 、 相 等〔 〕 。 试样毛坯经 ℃ 小时 固熔处理后 空 冷 ， 然后 再经 ℃ 小时时 效后空 冷 。 试验选用 圆棒光滑低周 疲 劳试样 ， 其 有效长度及 园弧部分磨 削 成型 〔 〕 。 本 实验采 用 负荷控制 法在恒定 最大 负荷保 持一定的时间 ， 及 最小 应力改 变 ， 即 不 同

的交变应力与平均应力的配合条件下进行高温疲劳蠕变试验。实验加载波形如图1所 示。试验温度650℃。高温力性实验在MAYES-一50E低周疲劳试验机上进行。 断口观察在JSM一35C扫描电镜下进行。 2,实验结果 2.1在保载条件下的高温疲劳城变断裂周次曲线。 在恒定的最大应力（gmm,)下分别保载55,10s,60s与110S具有保载试验得到的 断裂周次(N,)随着交变应力（σ，）与平均应力（σm)变化的曲线示于图2。这种以断 裂周次表示的保载条件下的交互作用断裂曲线与无保载时的疲劳蠕变寿命曲线，具有相 同的形式。随着交变应力(o,)的减少，平均的应力（σm)的增加，断裂周次(N,) 先增加后减，曲线呈“反C”型。保载使曲线向左移到低寿命区，随着保载时间的增 加，曲线向左移动的距离就越远，断裂周次降低的越显著。 实验表明在曲线的上半部，断裂周次与交变应力间的关系满足于纯疲劳的S一N曲线 735.5 O Deell 58 A Dwell 10c 135.5 o Dwell 60s 口bwe11111a 235.5 335.5 435.5 535.5 33 635.5 要 山lw735,5 203 10. 105 Ruptare cycles,Nr e on cyclic rupturc aumbers 图1，实验加载波形 图2，具有保载的断裂周次曲线 Fig.1.Tho wavo form for fatigue-creep Fig.2.The fatigue-creep interaction fraeture test with dwell time life curves with dwell time 表1具有保载的疲劳蠕变断裂周次回归公式 Table 1 Regression equations of the rupture life for fatigue-creep interaction tests dwell time (S) upper region nuder region 0 0a=7,2X108Nt-0.32,Y-0,98 0m=1.23X103N:-0.05,Y=0.99 5 0a3.7X108N:-0.39 Y=-0.99 0m2.8X104Nr-0.6,Y=-0.98 10 g.=3.3X108N,-0.8,Y=-0,99 0m=4,8X10N:-0.61,Y=-097 60 g1=3.0X103N,-0.32,y=-1 0m=1.2X104Ng-0.5,Y=-0.99 110 0a=2.9X103N,-02,y=-1 0m=6.4X103Nt~0.43,y=-0,99 27

的交变应力与平均 应力的配合 条件下进行 高温疲 劳蠕 变试验 。 实验加载波 形 如 图 所 示 。 试验温度 ℃ 。 高温 力性实验在 一 低 周疲 劳试验机上进行 。 断 口观察在 一 扫描 电镜 下进行 。 实 验 结 果 。 在保载条件下的 高温疲劳姗变断裂周次 曲线 。 在 恒定的最大应力 。 二 下分别保载 ， ， 与 具有保载试验得 到 的 断裂周次 ， 随着交变应力 口 与平均 应力 。 。 变化的 曲线示于 图 。 这种以断 裂周次表示的保载条件下的交互作用断裂 曲线与无保载时的疲 劳蠕 变寿命 曲线 ， 具 有相 同的形式 。 随着交变应力 的减少 ， 平均的应力 口二 的增加 ， 断裂周 次 ， 先增加后减 ， 曲线呈 “ 反 ” 型 。 保载使曲线 向左移到低寿命 区 ， 随着保载 时 间 的 增 加 ， 曲线 向左移动的距离就越远 ， 断裂周次降低 的越显著 。 实验表 明在 曲线 的上半部 ， 断裂周 次与交变应力间的关 系满足于纯疲 劳的 一 曲线 多 ， 多 。 荟 ‘ ‘衬￡门。‘，。 ， 邸另竹好 哎子了气晓护比砚已 护成了仁护口哎产已︸， 八 一 下一卞 分 卜 羚﹄。田因匕龙 ，﹄ ， 抽州扫招门卜 生又 只 七 了 声 户 ‘ 。 了 饥沪 。 口 ， 图 。 实验加载波形 ， 甲 一 份 甘 功 图 具有保载的断裂周次曲线 。 一 。 孟 ‘ 。 一 ， ， 兔二 表 具有保载的疲劳蠕 变断裂 周 次回 归公式 一 皿 “ 玉 。 口 一 · ， ， 下一一 。 下 。 匀 下 一 。 下 一 ， 口 。 ， 一 二 。 口 。 ， 一 · ， 口 ， 一 · ， ， 一 一 二 ， 下 一 下 一 口 火 ， 一 · 。 ‘ ， 。 · ‘ 一 · ‘ ， 口 一 。 ， 一 · ‘ ， 。 一 · ‘ ， 。 · 只 ， 一 · ， 下 一 。 丫 。 下 一 下 一

关系，在曲线的下半部，断裂周次与平均应力之间的关系也很好地符合幂指数关系。表 1归总了具有保载的断裂周次回归公式。 随着保载时间的增加，曲线的“鼻子”区移向更大的交变应力（σ，）范围。这表 明保载增大了蠕变因素，导致疲劳区向蠕变区转变。 2.2保载条件下的裂纹形成及扩展分析 扩大应用Halesc2)的分析方法，以裂纹萌生曲线与断裂曲线来分析具有不同保 载时间的疲劳蠕变断裂机构图。在如图3表示的复合应力一断裂周次图中，由于只是 分析可能的断裂机构所以可以假定此二条曲线不受保载时间影响。并以CoC。与CC分别 表示蠕变裂纹形成与断裂曲线，以F0Fo与FF分别表示疲劳裂纹萌生与断裂曲线。很 明显，蠕变断裂周次随保载时间增长而相对应地缩短，即随保载时间增长，C。Co及CC 曲线不断右移，例如当保载5秒时为Co'C。'与C'C'。这样，断裂曲线的交点就从无保 载的A、B、D、E四个点移向保载5秒的A'、B'、D'、E'。对于保载10秒与60秒曲线 分别移到C"Co“,C”、C、与Co'/、Co'、C'、C'。余类推。与A、D点相 应的交变位力值就可能与无保载的（σ，）A>(G,)D不同，出现(o.)A”=(g,)D", 乃至(o,)A,<(a,)D,的变化。因此保载使得原无保载的FF、FCF、CFC、 CC四区移向交变应力幅值更高的区城；使CFF区逐步向FCC过渡。短时保载时出 现的断裂机构区可能与无保载的相同、但各区的应力范围上移，以致在保载条件下的 CC区（暂以C'C'表示）包括无保载条件下的CC与CFC二个区，即使CFC断裂变为 CC断裂，同样，使FF断裂变为FCF断裂，CFF断裂变为CFC断裂等等，很明显，保 载加剧蠕变断裂作用，扩大蠕变区，缩小疲劳区。随保载时间增长，可能出现（σ，）" =（σ，)D,乃至(o.)A<(o,)D,的情况，这时CFF区逐步消失，并为 FCC区所取代。总之，保载条件导致断裂机构的变化。具体变化情况要根据断口分析 确定。 125.6 GH136 是 650℃ 60 223.8 是 50 323.8 6 40 Bun 423、8 sai 30 三 B(D") 523,8 20 623.8 (c"Cr 0 C" 723.8 0山山LL山lLL4u823.8 5×103103 10* 105 10 Rupture life Ne (tr) 图3保载条件下断裂机构分析示意图 Fig.3 Schematic view of craek initiation and propagation showing the influence of dwell time on crack initiation and propagation. 28

关 系 在 曲线的下半部 ， 断裂周 次 与平均 应 力之 间的关 系也 很好地符合幂指数关 系 。 表 归总 了具 有保载 的 断裂周次 回 归公式 。 随着保 载 时 间的增加 ， 曲线 的 “ 鼻子 ” 区移 向更大 的交变 应力 范 围 。 这 表 明保 载 增大 了蠕 变 因素 ， 导致疲 劳 区 向蠕 变区转 变 。 保载条 件下 的裂纹形成及扩 展分析 扩 一 大 应 用 〔 “ 〕的分析方法 ， 以裂纹 萌生 曲线 与断裂 曲线来 分 析 具 有 不 同 保 载时 间的疲 劳蠕 变 断裂 机构 图 。 在 如 图 表 示 的复合 应力 一 断裂 周 次 图 中 ， 由于 只是 分析可能的 断裂 机构所 以 可以 假定此二 条 曲线 不受保 载时 间影 响 。 并以 。 。 与 分别 表示蠕 变裂纹形 成与断裂 曲线 ， 以 。 。 与 分别表示疲 劳裂 纹 萌生 与断 裂 曲 线 。 很 明显 ， 蠕变断裂 周次 随保 载时 间增 长而 相对应地缩 短 ， 即随保载时 间增长 ， 。 。 及 曲线不断右移 ， 例如 当保载 秒时 为 。 ‘ 。 ‘ 与 ‘ ‘ 。 这 样 ， 断裂 曲线的交 点就从无保 载 的 、 、 、 四 个 点移 向 保载 秒 的 产 、 产 、 产 、 产 。 对于保 载 秒与 秒 曲 线 分别 移 到 “ ， ， 、 、 与 。 产 产 、 。 ， 尸 尸 、 ， 尸 产 、 ， 产 。 余类推 。 与 、 点相 应 的 交 变 应力值就可 能与无 保载的 不 同 ， 出现 ， ， ， 乃 至 ， ‘ ， 。 ’ ‘ ， 的 变化 。 因此保 载使得原无 保载 的 、 、 、 四 区移 向交 变 应 力幅值 更 高的 区域 使 区逐 步 向 过 渡 。 短 时 保 载 时 出 现的断裂机构区可能与无保载的 相 同 、 但各区的 应 力范 围 上移 ， 以致在 保 载 条 件 下 的 区 暂以 ‘ 了 表 示 包括 无保 载 条件下 的 与 二个 区 ， 即 使 断 裂 变 为 断裂 ， 同样 ， 使 断裂 变为 断裂 ， 断裂 变为 断裂等等 ， 很 明显 ， 保 载加剧蠕 变断裂作用 ， 扩大蠕 变 区 ， 缩小 疲 劳区 。 随保载时 间增长 ， 可能 出现 。 二 ， ， 乃至 。 ‘ ， ， “ 的 情况 ， 这 时 区 逐 步 消 失 ， 并 为 区所取 代 。 总 之 ， 保 载 条件导致 断裂机构的 变化 。 具体 变化情况要根据 断 口 分 析 确 定 。 ’多 ， ℃ 多 。 川 多 · ” 登 曰 之二 。 盆认 · 沉一。 衬盆口甸功。恤口 人 乃 ’ 一 二 。 。 妇工吮衬州“价妈‘和日众，。 子、 下占 ︺ 、 吕 金 ， 名 图 保载 条件下断裂机构 分析示意图 。 比 七丘 主

2.3具有保栽的断口形貌 根据保载条件下裂纹形成与扩展的分析可知，随着保载时间（△t)增加，疲劳机构 向蟠变机构过渡。图4为a,为588.4MPa,gm为147.1MPa条件下的随保载时间增长的 断口变化。由图可见，保载使F区的断口上疲劳条纹区面积减小，条纹间距变宽。还可 见到更多的蠕变空洞及二次裂纹特征明显化。 短时间保载使原来无保载的FF断裂机构转变成FCF机构（图5、a、b),延长保 载时间使具有典型疲劳断口(FF)转变成FCC断口，FCC断口形貌具有与CFF相同 的疲劳条纹区与蠕变断裂区相混合的特征，所不同的是FCC区的疲劳断裂区只局限在 蠕变断裂区中间（图5、c),保载还可以使CFF转变为CFC或CC机构（图5、d), 使CFC机构转变成CC机构（图5、e)。 () (b) 的3 (c) (d) 图4.保栽断口形貌(ga588,4MPa,om147,1MPa) (a)保载5孙：， (b)保载10秒 (c)保载60秒 (d)保载60秒 Fig.4.SEM of the apperance of fracture surface of specimens tested at 0a588.MPa,Om147.1MPa with various dwell times. (a)dwell 5s (b)dwell 10s (c)dwell 606 (d)dwell 60s 29

。 兵有保栽的断 口形貌 根据保载条件下裂纹形成与扩展 的分析可知 ， 随着保载时 间 △ 增加 ， 疲劳机构 向蠕 变机构过渡 。 图 为 为 ， 。 为 条件下 的随保载时间增长的 断 口 变化 。 由图可见 ， 保载使 区的断 口 上 疲 劳条纹区面积减小 ， 条纹 间距变宽 。 还 可 见到更多的蠕变空洞及二次裂纹特征 明显化 。 短时间保载使原来无保载的 断裂 机构 转变成 机构 图 、 、 ， 延长 保 载时 间使具 有典型疲劳断 口 转变成 断 口 ， 断 口形貌具 有与 相 同 的疲劳条纹 区与蠕 变断裂 区相混合 的特征 ， 所 不 同的是 区的疲劳断裂区只局 限 在 蠕变断裂 区 中间 图 、 ， 保载还 可以使 转变为 或 机构 图 、 ， 使 机构转变成 机构 图 、 。 。 图 保载断 口 形貌 口 通 保载 于卜 ， 保载 干少 保载 秒 保载 秒 氏了 几 。 。 日 七 习 ，口 日 份 日