熔铸盘疲劳蠕变交互作用第一类断裂特征图(疲劳蠕变交互作用之二)

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1986.02.001 北京钢铁学院学报 -K 1986年6月 Journal of Beijing University No.2 第2期 of Iron and Steel Technology June 1986 熔铸盘疲劳蠕变交互作用第一类断裂特征图 (疲劳蠕变交互作用之二) 陈国良何庆复高良章守华 (北京钢铁学院高温合金教研室) 常逢元（西安红旗机械厂冶金处， 赵玉才（上海第五锅厂研究所） 摘 要 水文目的是建立大型熔铸涡轮盘的疲劳蠕变交互作用下的第一类断裂特征图，·为此 光测定了恒最大应力下的高温瘦劳蠕变新裂寿合曲线，称为FC-N:曲线，它们既不同于 纯皮劳的$一曲线，又不同于纯变断裂曲线，而是二者的综合。根据寿命对应力的不 同依赖关系可以把曲线分成F、C与FC三区。根据断裂机构的理论分析与断口观察，又存 在普五个不同断裂机构区。在宏观与微观分析相结合的基础上建立了第一类断裂特征 阁。它提铁了关于断裂机构与寿命资料。据此讨论交互作用的几种特征。采用竟争模型 与积累模型可以表示疲劳婚变交互作用的本质。 关键词：涡轮盘用高温合金、疲劳、露变.疲劳壩变交互作用.特征图。 Type I Fatigue-Creep Fracture Map for ECD -The program of fatigue-creep interaction I Chen Guoliang;He Qingfu;Gao Liang;Zhang Shouhuay Chang Fengyuan;Zhao Yucai Abstract A series of fatigue-creep fracture life curves for a big ESR-Cast-to Shape gas turbine disc(ECD)were obtained from tests called fatigue-creep :i nteraction test which was performed at constant temperature and fixed 1985-11一10收稿 41

年 月 第 期 武。 汤珠急默双 粼 烦 羡照 熔铸盘疲劳蠕变交互作用第一类断裂特征图 疲劳蠕变交互作用之二 陈国 良 何庆复 高 良 章 一 守华 优京钢铁学院 高温合金教研室〕 常逢元 《西安 。 机械厂冶金处 赵玉 才 上海 第五钢厂研究加 摘 要 本文 目的是建立大型熔铸涡艳盘的疲劳 蠕变交互作用下的第一类断裂特征图 ， 为此 先测定了恒最大应力下白稿温农劳蠕变断裂寿命曲线 ， 称为 一 曲线 它们既不同于 纯夜劳的 一 曲线 ， 又不同于纯懦变断裂曲线 ， 而是二者的综合 。 根据寿命对应力的不 同依赖关系可以把曲线分成 与 三区 根据断裂机构的理论分析与断 口观察 ， 又存 在着五个不同断裂机构区 。 在宏观与微观分析相结合的基础上建立了 第 一类 断 裂 特 征 图 。 它提 共了关于断裂机构与寿命资料 据此讨 论交互作用的几种特征 采用竞争模型 与积累模型可以表示疲劳蠕变交互作用 的杨 关健词 涡 轮盘用高温合金 疲劳 蠕变 寒劳蠕变交互作用 特征图 嚼绷肠 卿 一 呀朴 一 。 一 户价 雌 匀 如比够 ， 呻烈沙 一 住 万 七 一 ” 一 玉 一 食 价 一 护‘ 一 一一 一 弓一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．02．004

max stress with various value of min stress.The shape of interaction curve was different from that of the normal S-N curve and creep curve,It could be envisaged as a combination of pure fatigue and pure creep curves.On the ground of the different stress being dependent of fracture lives,the whole in- teraction curve could be classified into three parts:fatigue(F),creep(C),and mixed(FC)regions。 The larger the max strss the stronger the interaction,the shorter the life.According to the fracture mechanisms and experimental observation of the appearance of fracture surfaces,five distinct fracture mechanism regions (ie,FF,FCF,CFF,CFC,CC,regions)were occured On the basic of macro-micro analysis of fracture a new fatigue-creep interaction map called first type.of interaction map was constructed,It pro- vided the basic information of fracture lives and fracture mechanisms. ” Discussing several features of interaction,a unified competi tive and cumulative model was suggested to show the nature of fatigue-creep interac -tion。 Key words: superalloy、gas turbrne disc、fatigue、creep、fracture map. 前 言 大型熔铸涡轮盘已通过800h试车及800h试飞的考验，对其常规力学性能已做相 当多的工作，但对在高温疲劳，特别是在疲劳一蠕变交互作用条件下的力学特性还 了解得不够充分。因此不能确切理解这种大型熔铸盘在使用条件下的损伤与断裂规律 本研究的目的是全面描述这种盘在疲劳蠕变交互作用条件下破坏特性及断裂寿命变化 规律。我们在文献〔1)中指出，在恒定最大负荷控制下的高温疲劳蠕变曲线及断裂 特征图，能较好地描述交互作用条件下合金的行为。为此，我们逃择熔铸盘为对象， 建立断裂特征图的全部理论基础，包括第一类断裂特征图，第二类断裂特征图，保载 条件下的断裂特征图，断裂特征图基础上的最大应力修正的券命公式及颜率修正法的 扩大应用。疲劳蠕变交互作用下的变形特点及变形速度的反应力模型，疲劳蠕变交互 作用下的裂纹形核及裂纹扩张，熔铸盘的力学特征及结晶方向性的影响等。这些结果将 在一系列文章中发表。 1实验材料及方法 试验用熔铸GH136涡轮盘材料的化学成分见表1，试样从涡轮盘上直接取样，试样 坯经过1050℃4h固溶后油冷，再经720℃32h时效处理后空冷。试样尺寸见图1，其柱 晶轴向与应力轴呈45°取向，枝晶组织见图2，圆棒形光滑试样有效长度及圆弧部分系 磨削成型。 42

妞 ‘ 灯 一 。 协 叮 全 ， 五 ， ， 。 二 ， ， 三 ， ， ， ， ， 。 ， 。 一 饥 ” 犷 一 。 爪 住 。 “ 。 ， 一 一 。 、 、 。 、 、 前 言 大型熔铸涡轮 盘 已 通 过 试车及 试飞的考验 ， 对 其常 规力 学性 能 己 做 根 当多的 工 作 ， 但对在高温 疲劳 ， 特别 是 在疲劳 － 蠕 变 交互 作用 条件下的 力 学 特 性 还 了解得不够充分 。 因此不 能确切理解这种大型熔铸盘在 使用 条件下的 损伤与断裂 规 律 本研究 的 目的是 全面描述这 种盘在疲劳 蠕 变交互 作用 条件下破坏特性及断裂 寿 命 变 化 规律 。 我们 在文献 〔 〕 中指 出 ， 在恒定最大负荷 控 制下的 高温疲劳 蠕变曲 线 及 断 裂 特征图 ， 能较好地描述交互 作用 条件下合金 的行为’ 为此卜 我 们选 择熔铸盘 为 对 象 ， 建立断裂特征 图的 全部理论 基础 ， 包括第一 类断裂特征 图 ， 第二 类断裂 特 征 图 ， 保 载 条件下的 断裂特征 图 ， 断裂特征图基础 上的最大 应力修正的 寿命 公式及频率 修 正 法 的 扩大 应用 。 疲劳蠕变交互 作用 下的 变形特点及 变形速 度的 反应 力 模 型 ， 疲劳 蠕 变交互 作用 下的 裂纹 形核及裂纹扩张 ， 熔铸盘的 力学特征及结 晶方 向性的影 响等 、 这些结果 将 在一 系列文章 中发表 。 实验材料及 方法 试验用 熔铸 涡轮盘材料的 化学 成分见表 ， 试 样从涡轮 盘上直接取样 ， 试样 坯经过 ℃ 固溶 后油冷 ， 再经 ℃ 时效处理 后空 冷 。 试样 尺 寸 见 图 玩 其柱 晶轴 向与 应 力轴 呈 “ 取 向 ， 枝 晶组织 见 图 ， 圆棒 形光滑试样有效长度及 圆弧部 分 系 磨削成型

表1熔锆GIH136涡轮盘ECD材料化学成分 Table I Chemical compositions of ECD elements Mn Si P Ni Cr Mo Ti Fe wt. 0.02 trail 0.19 0.002 0.008 27.61 14.44 .1.82 0.07 0.202.88 Balane0 6295 1350.5 250,5 110g 3.4 ×46°R63 R10 ⑧ Φ5n胜y8 ⊙RoAg 图1低周菠劳试样 Fig,】.LCF specimen 力性实验在MAYES一50E电液伺服低周疲劳试验机上进行。试验采用负荷控制 法，加载波形为方波，频率为1Hz。实验中在维持最大负荷恒定的情祝下通过改变最 小负荷来实现不同交变负荷与平均负荷向二个相反方向的同时增减。载荷谱见图3。实 验温度650℃，沿试样有效长度温度梯度为土3℃，·温度波动为士8℃。 图2熔铐盘低倍组织 图3实验较荷谱 Fig,2.Macrograph of the ECD Fig.3 The wave form for fatigue-creep test 断口观察在JSM一35C扫描电镜下进行，操作电压25kV,分辨率为60A。 2 实验结果 2.1高温疲劳蠕变斷裂曲线 图4表示了纯疲劳，N:=f(a.);纯蠕变，t,=f(om) 及在恒定最大应力下的疲 43

表 娘铸 涡抢盘 材料化学成分 五。 此 叭 。 。 礴下不万不刃二 二二遗已 ，， 兰立足兰土二竺里巴 图 低周疲劳试样 飞 、。 。 。 然黝燕攀群淤黔…量 伪。 一 叽如 几 但，笼 氏初 饥。 二 汽午 九 ︸ 一 一 图 熔铸盘低倍组织 且 五。 图 实验载荷谱 件 ， 。 了 戈 生弓 卜 。 断 口 观察在 － 扫描电镜下进行 ， 操 作电压 ， 分辨率 为 。 实 验 结 果 高温疲劳蠕变断裂 簇线 图 表示 了纯 疲劳 ， 二 仇 纯 蠕变 ， ， 二 。 及在恒定最大 应力 下 的疲

G136ECD650℃1H2 7 123.8 6 223.8 Pure fatigue R=-1 323.8 apnaTtdwe 4 3 08元625.8 2 A Interaction curve 639星 R=1 723.8 Pure creep 10t m 111 ml tu823.8 102 10* 10 105 109 Rupture life Ne(tr) 图4 疲芳—露变断裂寿命曲线 Fig.4 Fatigue-creep rupture life curves 劳蠕变交互作用的断裂寿命与交变应力，平均应力关系曲线，N,=f(σ，m)。绘制这 种曲线图时选用特殊的座标，左侧纵座标表示交变应力（σ，）从下向上增大，右侧纵座 标表示平均应力（σm)从上向下增大。这种相反方向的变化应力构成复杂的应力配合。 可以看出N:=f(o,om)曲线是N:=f(o.)与t,=f(om)二者的综合。在交变应力较大， 平均应力较小时N:与σ.之间关系与纯疲劳的S一N曲线规律相符合：在交变应力较小， 平均应力较大时t,与σm之间关系又满足蠕变断裂规律。从总的趋势看，随着交变应力由 大到小的变化，断裂寿命开始增加，但当交变应力减少到某一临界值时曲线出现回折， 随后交变应力进一步减少时断裂寿命反而缩短。这种倾向是由于平均应力增大而加剧烯 变断裂过程，使高温疲劳过程发生本质变化，由以疲劳为主的过程转变为以蟠变为主的 过程。这种疲劳蠕变断裂曲线与纯疲劳、纯蠕变断裂曲线相比，可明确地看出交互作用 的结果使断裂寿命大大降低。 图5表示在三个恒定最大应力（σ。x)下，得到的三条疲劳蠕变断裂曲线。图中引 入无物理意义的应力函数σ，并令σ：=900-（σ。x):,其目的只是在同一座标轴上表 示出在相同交变应力下，对应于不同最大应力值的平均应力值。最大应力变化使曲线左右 移动。最大应力增加，曲线向左移动，但不改变曲线的基本特征。每条曲线上下二部分 分别满足于疲劳与蠕变断裂寿命方程，其回归方程列于表2。由回归方程可以得到相应 区域的临界应力值点，把这些点连成二条直线(AA与BB),曲线被分成上、中、下三 个区，分别称为F,C与FC区。F区是以疲劳为主的交互作用区，表现为蠕变应力对疲 劳断裂寿命影响；C区为以蠕变为主的交互作用区，表现为疲劳应力对蠕变断裂寿命影 响；FC区为混合断裂特征区，疲劳应力或蠕变应力少量变化均能对断裂寿命产生重要 影响。由图还可以看出在相同的交变应力下，最大应力增加使相应的平均应力增加必然 加剧蠕变作用。所以最大应力增加会造成C区应力范围扩大。 值得注意的是尽管F、C、FC区遵循不同的断裂规律，但无论是哪一个区都始终存 44

浅名璐叭 者 幼 ‘吕 ℃ 之 七 、 。 飞 艺巴 ‘ 飞一汉匕日 廿︺ 衬公吸断 乃夕妞 之艺互之多 ‘红 窝叮以 口。 二 产健不︸‘ 己 匕 ‘ 勺︶ ‘ 己又 己乏 一 压 欲 ， 仑已 口，曰粉︸心 贝︺向口昆 。众也 。 习 」纽迷习二澎 么 瓮 下嘴石霖 心‘ 双 七 图 疲劳一一蠕变断裂寿命曲线 透 宜 一 。 ‘ 。 ， 劳蠕变交互作用 的 断裂寿命 与 交变 应 力 ， 平均 应力关系曲线 ， ， 。 绘制这 种 曲线 图时选用 特殊的座标 ， 左侧 纵座标表示交变 应力 从下 向上增大 ， 右侧纵座 标表示 平均 应力 二 从上 向下增大 。 这种相反方 向的 变化应 力构成复杂的应 力配合 。 可 以看 出 ， 。 ， 二 曲线是 二 。 与 二 。 二 者的综 合 。 在交变应力较大 ， 平均 应力较小 时 ，与 。 之 间关 系与纯疲劳 的 一 曲线 规律相符合 在 交变应力较小 ， 平均应力较大时 与 二 之间关 系又满足蠕 变断裂规律 。 从总 的趋势看 ， 随着交变应力由 大到小的 变化 ， 断裂寿命开始 增加 ， 但当交变应 力减少 到某一临界值时 曲线 出现回折 ， 随后交变应 力进一步减少 时断裂寿命反而缩短 。 这种倾 向是 由干平均应力增大而加剧蠕 变断裂过程 ， 使高温 疲劳过程发生 本质变化 ， 由以疲劳为 主的过程 转变为 以蠕变为主的 过程 。 这种疲劳蠕变断裂曲线 与纯 疲劳 、 纯 蠕 变断裂 曲线相 比 ， 可 明确 地着出交互作用 的结果 使断裂寿命大大降低 。 图 表示 在三个恒定最大应力 “ 。 二 下 ， 得到的 三条疲劳蠕变断裂曲线 。 图 中引 人无物理意义的应 力 函数 ， 并令 二 一 二 。 二 ， 其 目的 只是在同一 座标轴 上 表 示 出在 相 同交变应力下 ， 对应 于不 同最 大应 力值的 平均应力值 。 最大应力变化使曲线左右 移动 。 最大应力 增加 ， 曲线 向左移动 ， 但不 改变 曲线的基本特征 。 每 条 曲线上 下二部分 分别满 足于 疲劳 与 蠕变断裂寿命方程 ， 其 回 归方程列于表 。 由回 归方程可 以得到 相应 区域的临界 应力值点 ， 把这些 点连 成二 条直线 与 、 ， 曲线被分成上 、 中 、 下三 个 区 ， 分别称 为 ， 与 区 。 区是 以疲劳 为主的 交互作用 区 ， 表现为蠕变应力对 疲 劳断裂寿命影 响 区为以蠕变为主的 交互 作用 区 ， 表现 为疲劳 应力对蠕变断裂寿命 影 响 区为 混 合 断裂特征区 ， 疲劳应 力或蠕 变应 力少量 变化均能对 断裂寿命 产生 重 要 影响 。 由图还 可 以看 出在相 同的 交变应 力下 ， 最大应 力 增加 使相应的 平 均应 力增加必 然 加剧蠕变作用 。 所 以最大应 力增加会造 成 区 应力 范围扩大 。 值得注意的是尽管 、 、 区遵循不 同的断裂规律 ， 但无 论是哪 一个区都始终存

在着交互作用，各区所是现的差异在于决定断裂的主要因素不同。 GH136 ECD 650 C 1HZ S.W. 01=900-(0ax)1 5 6 823.8 3 8 opn?T[dwe 784.6 4 735.5 4 +6) A 5 3 6 FC B saJy A 0 C 。wwd3ug是 0102 103 10 10100 Rupture life N (tr) 图5不同最大应力下的疲劳蠕变断裂曲线。 Fig,5 Fatigue-creep interaction rupture life curvea under three different max streases respoctively 表2疲劳蠕变断裂寿命回归公式 Table 2 Regression equations of the rupture life for fatiguecreep interaction tests Gm8x,制Pa F region C region 735.5 0a=7.23103N,-0.32,=-098 0mtr0.053=1.23103,r=-099 784.6 ca=7.43103N,-0.34,r=-0.99 0mtr0.154=3.28-103,r=-0.97 823.8 01=8.48103N,-0.365,r=-0.98 0mtr0.083=1.64103,t=-0.98 R=-1 0a=2.50-103N,-0.18,r=-0.99 R-1 0tr0.057=1.31103,r=-0.97 e. 2.2高温疲劳螺变断裂机构图分析 Ha1es(2以蠕变及疲劳裂纹萌生与断裂曲线为依据分析疲劳蠕变交互作用下断裂 机构。把这种分析方法应用到这里，并试图在裂纹萌生与扩展致断分析基础上得到完整的 断裂特征图。图6绘出蠕变裂纹萌生曲线(CC0)与断裂曲线(CC)及疲劳裂纹萌生 曲线(fofo)与断裂曲线(ff)。四条曲线的交点记为A、B、D、E。A点、D点所示 的交变应力记为（σ：）A与（σ，）p。根据A、D点交变应力值的相对大小可分为三种情 祝分析交互作用下的断裂机构。 2.2.1(o,)>(o,)n(图6、a) 根据四条曲线及（σ：）A>(σ，)的相对关系可得到五个断裂机构区：FF、FCF CFF、CFC及CC。所谓FF机构是疲劳裂纹萌生与扩展致断的机构，FCF机构是以疲 45

在着交互作用 ， 各区所呈现的差异在于 决定断裂的主要因素不 同 。 衬乞日︾。﹄二弓。忍气洲 卫 一 石多 · 名 吕 。 · 叭 二 。 一 州 动 守。 多 一 、 一 乡多 。 油一卜 另人 卜卜了 冬些 ’ 占 口 办山二啥 。订护花节尸 七 势 振呼缨花产墨 山 工 侧衬洲曰山洲留 。﹄己昆，自气色欠习 全 图 不同最大应力下 ‘ ‘ 一 。 “ 的麟蠕姗瓢线 · 心叹 ，必‘ 公 三 巴 色 七 犷 已 。 飞 表 疲劳 蠕变断 裂寿命 回 归公 式 比 行 ，， 幽‘ ‘ 箱 ‘ 正 公飞 ， 门 ‘ 居‘ 以 祖 目抽洲拍 业 妇 ‘ 昌 曰口口‘ ， 眨 ，口 ‘ 曰 西 一 如。 别 帅阴 咬 减 翻 刀二‘ 别 二 口泥 泊 ‘ 刀 目 ‘ 百 霭 日 “ 器目济 猫勺 节‘ 缘 ‘ ，枷协 ，，刽匀浏丫互‘ 盆二二 ‘ ‘ ， 姿 ，吸 队乃 动印绍‘ 口卫 习 胭， 毖 口 ， 至 ‘ 二翌竺‘ ‘ … 里 …一 吕 口 ， · ， 一 ， 迸 一 · 砂 口 一 · 一 一 一 ‘ 离 称岛哥一一一一止三 高温疲劳蠕变断裂机构图分析 惑 禽 薰燕嚣薰巡薰簌薰糕重 纷 而 与断裂曲线 一 仃 一 豹交变应力记为 。 ， 与 叭 况分析交互作用下的断裂机构 。 一 ‘ 。 ， 四条曲线的交点记为 、 、 、 点 · 点 所 示 、 根据丸 、 点交变应力 值的相对大小可分为三种 情 图 、 郡恕怒恶咒爵氛磊鑫瓢篡篡粼黔怒磊爵公