缺口对GH33A合金在复杂应力条件下力学行为的影响——高温合金力学冶金(11)

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1988.04.025 北京钢铁学院学报 第10卷第4期 Journal of Beijing University Vol,10 No.4 1988年10月 of Iron and Steel Technology 0ct.1988 缺口对GH33A合金在复杂应力条件 下力学行为的影响 一高温合金力学治金(11) 房晓光梁晋谢锡善 浦惠康 (高温合金教研室) (上海第五钢铁厂) 捕要本文研究了峡口对GH33A合金在高温低周我劳及劳我/孀变交互作用下的 力学行为。结果表明：峡口使GH33A合金低周瘦劳寿命缩短，其缩短的程度随缺口尖锐程 度的增加而加刷。低周度劳高应力时，保载时间的作用引人了罐变分量，促使低周疲劳寿命 N∫降低。在低周我劳固定最大应力，改变最小应力而造成幅变/我劳交互作用情况下，其 断裂寿命在一定条件下具有最大值，断裂机制可由纯我劳断裂逐步转化为纯幅变断裂，其程 度主要决定于婚变应力（或我劳应力）分量所占比例的大小。 关健词商温合金，婚变，交互作用，蠕变症劳，峡口效应，低周载劳 Notch Effect on Mechanical Behaviour of GH33A Superalloy under Complicated Stress Conditions Fang Xiaoguang Liang Jin Xie Xishan Pu Huikang ABSTRACT:The notch effect on high temperature LCF (Low Cycle Fati- gue)and fatigue/creep interaction behaviour was investigated in GH33A super- alloy.LCF life was decreased dramatically because of notch and acuity of notchs.During LCF tests,dwelling at maximum stress introduces creep dama- ge into low cycle fatigue,then decreased LCF :fatigue cycles.At LCF tests with constant maximum stress and varied minimun stress,fatigue/creep intera- ction curve exhibits a maximum fatigue life at certain stress condition and 1987一04一29收稿 428

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 。 缺 口 对 合金在复杂应力条件 下力学行为的影响 —高温 合金力学冶金 房晓光 梁 晋 谢锡善 浦惠康 高沮合金教研 室 上海 第五 钢铁厂 摘 奥 本文研究 了缺 口 对 合金在高温低 周应劳及劳疲 婚变交互作 用下 的 力学 行为 。 结果表明 缺 口 使 合金低 周疲劳寿命缩短 ， 其缩短 的程度随 缺 口 尖锐程 度 的增加而 加剧 。 低 周宜劳高应力时 ， 保载时间的作 用引入 了端变分量 ， 促使低 周疲劳寿命 了降低 。 在低周疲劳固定最大应 力 ， 改 变最小 应力而 造 成婚变 疲 劳 交互 作 用情况 下 ， 其 断裂寿命在一 定条件下 具有最大 值 ， 断裂机制可 由纯疲劳断 裂逐步转化为纯姻变断裂 ， 其程 度主要决定于拐变应力 或 疲劳应 力 分量所 占比例的大小 。 关跳词 高沮 合金 ， 姗变 ， 交互作用 ， 蟠变疲劳 ， 缺 口 效应 ， 低 周疲 劳 “ 月夕 二 · ， ， 三 · 。 ， 一 一 收 稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1988．04．025

fracture character can be gradually changed from pure fatigue into pure creep with increasing in mean stresses and decreasing in alternating stress amplitudes. KEY WORDS:superalloy,creep,inleraction;creep fatigue,notch,low cycle fatigue 祸轮盘是航空发动机的一级部件，是限制航空发动机使用寿命的主要因素。因此，改进 和提高涡轮盘材料的性能及对祸轮盘材料在接近使用条件下力学行为的研究，一直为冶金 厂、发动机设计、生产部门和使用单位所重视。 大量的使用数据表明：祸轮盘轮缘部位在工作应力和热应力作用下，在槽底、棉齿等几 何形状突变的“缺口”处常发生疲劳及蠕变/疲劳损伤。故涡轮盘材料在复杂应力条件下与 缺口相关的力学行为就成为重要的研究课题之一1,2、3、1。 本文主要对祸轮盘材料GH33A合金在接近使用条件下的力学行为及缺口对合金在复杂 应力条件下力学性能和断裂行为的影响进行了研究，~为GH33A合金的使用及性能改进提供 实验依据。 1试验用料及试验方法 试验所用GH33A合金是用于制造航空发动机祸轮盘的以N-C固溶体为基，y'相为强化 相的时效硬化型合金。材料选自上海第5钢铁厂“双真空”大生产的祸轮盘坯料（约370mm), 试样取自盘坯弦向。合金的化学成份(wt%):C0.045:Mn0.01,Si0.07,P0.005 Ni基；Cr20.24,A10.92,Ti2.78,Nb1.53,Fe<0.20,Cu<0.05,B0.0074。 热处理制度：1080°C/8h/空冷+750°C/16h/空冷 为研究合金在接近使用条件下的力学行为，试验将涡轮盘在使用时的复杂应力状态简化 为带有保持时间（在最大应力值保载2s)和不带保持时间的低周疲劳及蠕变/疲劳交互作用。 其应力载荷谱见图1。考虑到涡轮盘使用时处于高温弹塑性应力状态，故蠕变/疲劳交互作 用的最大应力选用高于试验合金屈服强度(o0.2/700℃=755MPa),即am.x=833MPa。 为研究缺口对合金性能的影响，选用了3种试样：光滑试样及R=0.5mm(kt=2,3)和R =0,15mm(kt=3,83)的2种缺口试样。 试验在计算机挖制的DARTEC电液伺服材料试验机上进行。应变测量采用引伸仪连差 动变压器的电测量（精度为10~4mm)。炉温控制±3°C。在试样标距15mm内温度梯度 <8C,载荷精度为±0.05kN。 MMAj 图1低周疲劳（带保持时间和不带保持时间，b和a)及孀变疲劳交互作用（©）应力载荷谱 Fig.1 Stress waveforms 429

瓦 五 五 ， 。 ， 主 ， ， ， ， ， 涡轮盘是航 空发 动机 的 一级部件 ， 是限 制航 空发 动机使 用寿命的主要因素 。 因此 ， 改进 和提 高涡轮 盘材料 的 性 能及 对涡轮盘材料在接近使 用条件下力学行 为的研 究 ， 一直 为 冶 金 厂 、 发 动机设计 、 生产部门和使 用单位所重 视 。 大量 的使 用数据 表明 涡轮盘轮 缘部 位在工 作应 力和 热应力 作用 下 ， 在槽底 、 摔 齿等几 何形 状突 变 的 “ 缺 口 ” 处常发生疲劳及蠕 变 疲 劳损伤 。 故涡轮盘材料在 复杂应 力 条件下 与 缺 口相 关的力学行 为就成 为重要 的研究课 题 之一 〔 ，· ’ 、 ’ 、 “ ， 本文主要 对涡轮 盘材料 入 合金在接近使 用条件下的力李行 为及缺 口 对 合金在 复杂 应力条件下力学 性 能和 断 裂行 为的影响进行 了研究 ， 为 合金 的使 用及 性 能 改 进提供 实验依 据 。 试验用料及试 验方法 试验所 用 合金 是 用于 制造航空发动机祸轮盘 的 以 一 固溶体 为基 ， 丫 ‘ 相 为强 化 相 的时 效硬 化型合金 。 材料选 自上 海第 钢铁厂 “ 双 真空 ” 大生 产的 涡轮盘坯料 约价 ， 试 样取 自盘 坯 弦向 。 合金的化学成份 ， ， 基 ， ， ， ， 热处 理制度 空冷 “ 八 空冷 为研究 合金 在接近 使 用条 件下 的 力学行 为 ， 试验将 涡轮 盘在使 用时的 复杂应力状态简化 为带 有保持 时 间 在最大应力值保载 和 不带 保 持时 间的低周疲 劳及蠕变 疲 劳交互作用 。 其应力载 荷 谱见 图 。 考虑 到涡轮盘 使 用时 处于 高温弹 塑性应力状态 ， 故蠕 变 疲 劳 交互 作 用的 最大应力 选 用高于 试验合金 屈服强 度 内 。 ℃ ， 即 二 、 。 为研 究缺 口 对 合金性能的影响 ， 选 用 了 种 试 样 光滑 试样及 二 。 和 伪 的 种 缺 口 试 样 。 试验在计 算机 控制的 电液伺服材料试验 机上 进行 。 应变测 量采 用 引 伸仪连差 动 变压器 的电测量 精度 为 “ ‘ 。 炉温 控 制 士 。 在 试样标 距 内 温 度梯度 ， 载 荷精度 为 士 。 图 低周 疲劳 带 保持时 间和 不带保持时 间 ， 和 及摇 变疲劳交互作 用 应 力载荷讲

对合金的组织、结构与力学性能之间的关系及断裂特征进行了研究，用光学显微镜以及 扫描电镜对断口进行了分析。 2试验结果 2,1合金的基本组织及常规性能 GH33A合金经标准热处理后的基本组织，夹杂评级为1~2级，晶粒度为4~6级，其 常规力学性能见表1。 800r _No dwenlingDwelling 曼 900 No dwelling Dwenling a J0.33eV.5 f=0.33 f-/4.5Hr K=1 K,1- 800 行.3 800 K=2.3年 K13.83 K4=3.83 700 700 600 600 500 500 40 40 2x102 102 10+ 70 103 10 105 710 Cyeles to failure.Nf Fallure times ir.8 图2低周我劳寿命曲战()断裂阔次，(b)断裂时间 Fig.2 Low cycle fatigue lives versus alternating stress range 丧1GH33A合金标准热处理后的力学性能 Table 1 Mechanical properties of GH33A Mpa 品 HB % t682 1181 797 30.5 35,8 92.3×104 3.40 >51 h 1176 798 30.6 36.1 83.3×10 3.40 2.2低周疲劳 低周疲劳（带和不带保持时间2种试验)结果见图2。低周疲劳寿命曲线都符合Basgim 关系，即Nj=A(△a/2)。 2.3姍变/疲劳交互作用 根据试验数据绘出GH33A合金蠕变/疲劳交互作用性能曲线，见图3。 430

对合金的组织 、 结构与力学性能之间的关系及断裂特征进行 了研究 ， 用光学显微镜以及 扫描 电镜 对断 口 进行 了分析 。 试验结果 。 合金 的甚本 组织及 常规 性能 合金经标准热处理 后的墓本组织 ， 夹杂评级 为 一 级 ， 晶粒度 为 一 级 ， 其 常规力 学 性能见 表 。 昌 莺 寻衬公名￡‘梦留‘钟 润 ’ 叭玲卜 价 口一 。 衬‘ 二 一 丫 、 》 、 、 一 ‘ 人 飞认 今飞 ，汉 目 ‘ ，卜 一 华藏 巴 、 外魁 灵 丢 号 帕 、 · ， 。 二 血司 生 二 妇卜‘ 下卫’ 二滋 泣 了 户入 · 入 八 ‘ 口二 一 。 必 ‘ 一一 父入 气 ’ 伙 、 、 努卜 · 丫 广 ‘ 一 一 省翁︺曰工扮‘，君钟 图 低 周 疲劳寿命曲线 断裂周 次 ， 句 断 裂 时 间 名 窦 合金标准热处理后的 力 学性能 口 卜 。 口 吵 “ 。 。 。 ‘ 。 。 。 ‘ 。 低周疲劳 低周疲 劳 带和不带保持时间 种试验 结果见 图 。 低周疲劳寿命曲线都符合 。 关 系 ， 即 了 △叮 幻 气 变 疲劳交互作用 根 据试验数据绘 出 合金蠕变 疲劳交互 作 用性 能曲线 ， 见图

400℃ f:0,33Hz 33 800 233 600 0-K3.83 433 400H 633 200 01 833 10 103 10 10 Cyeles to fuilure,Nf 图8媚变啦劳交互作用下的断裂寿命曲线 Fig.3 Endurance lives curves at creep and fatigue interaction 结果分析与讨论 3 3,1缺口对合金力学行为及断裂的形响 由图2可以看出缺口明显影响合金的低周疲劳断裂寿命，且随缺口的尖锐程度增加疲劳 断裂寿命降低更为剧烈。 缺口存在时，在缺口附近存在明显的应力集中，并且可以用弹塑性有限元法估算出 来【4、5)。此时的疲劳寿命N,可分为8部份：(1)缺口附近的裂纹形成寿命N,(2)在缺口 附近应力场中裂纹扩展寿命N,(3)远离缺口应力场后的裂纹扩展寿命N,。一般把前2项作 为缺口试样的疲劳裂纹形成寿命N,。Terugoshi【4]曾指出远离缺口应力场的N,仅与缺口试 样名义应力幅有关，而与k:无关。由此可以认为不同尖锐程度的峡口试样及光滑试样(k,= 1)在远离缺口处所承受的外加名义应力都一样，即W。基本相同，而其断裂寿命的差别在于 裂纹形成寿命，的不同。缺口尖锐程度不同，影响缺口根部应力应变场的分布及大小。 缺口半径较大(R=0.5,k,=2.3)的缺口其塑性区域较缺口半径小（R=0.15,k,= 3.83)的塑性区要大，塑性区内应变值较小，3向应力集中程度也较低，缺口根部等效应变 也较小，故k,=2.3的缺口试样裂纹形成寿命长于k,=3,83缺口试样裂纹形成寿命，因而 其疲劳断裂的总寿命也长。 缺口对蠕变性能的影响依赖于材料松驰应力集中的能力。如果通过塑性变形将应力集中 松驰，而又不至于造成晶界滑移而产生晶界裂纹。由于缺口的几何强化作用，则x峡>x光， 即缺口敏感系数入=凳>1。另外，由于晶内形变能提供较大空形量（与晶界变形相比）， 故当晶内燸变抗力相对于晶界高时，使得总变形量小，应力集中不能得到较好松驰，增加晶 界应力，使晶界产生严重滑动，导致早期开裂影而产生缺口敏感，即1<1。相反，若晶内 蠕变抗力较低，晶界相对较强时，应力集中能得到较好松驰，且缺口的多向应力能起到强化 作用，即无缺口敏感性，而使入>1。 蠕变/疲劳交互作用时，仍是蠕变与疲劳复合作用的迭加，故在疲劳应力分量较高的区 城，缺口的影响基本上与纯疲劳的影响一致，即x光>x峡，而以蠕变应力作用为主的区城， 其影响与对持久（蠕变）性能影响一致，即τ<r光。 GH33A合金蠕变疲劳交互作用的试验结果（见图3）与上述分析是相符的。即当蠕变 431

乞目尼‘ 。份一‘协艺巨。 丫 ‘ 芝 昌‘心甘日。梦招翁‘钻‘智公砚‘。 图 。 拐变成劳交互作 用下 的断 裂寿命曲线 结果分析与讨论 缺 口 对合金 力 学行为及 断裂的影响 由图 可 以看 出缺口 明显影响合金 的低周疲 劳断 裂寿 命 ， 且 随 缺口 的尖锐程度增加疲 劳 断 裂寿命降低更 为剧 烈 。 缺 口存在时 ， 在 缺口 附近存在明显的应力集中 ， 并且可 以用弹 塑 性 有 限 元 法 估 算出 来 、 ” ’ 。 此 时 的疲 劳寿命 ， 可分为 部份 缺口 附近 的裂纹 形成寿命 ， 在缺 口 附近应力场 中裂纹 扩展寿命 。 ， 远离缺口 应力场后 的裂纹 扩展寿命 ， 。 一般把前 项 作 为缺 口试样的疲 劳裂纹形成寿命 ，。 ‘ 曾指出远离缺口应力场 的 ， 仅 与缺 口 试 样 名义 应力幅有关 ， 而 与 。 无关 。 由此可 以认为不 同尖锐程度的缺 口试样及光滑试样 ， 在远离缺口处所承受的外加名义应力都一样 ， 即 ， 基本相同 ， 而其断裂寿命的差别在于 裂纹 形成寿命 ‘ 的不 同 。 缺口 尖锐程度不同 ， 影响缺口根部应力应变场的分布及大小 。 缺口 半径较大 。 ， ， 二 的缺 口 其塑性区域 较 缺 口 半 径 小 二 。 巧 ， 寿 ， 二 的 塑 性区要 大 ， 塑 性区 内应变值较小 ， 向应力集中程度也较低 ， 缺 口 根 部等效应变 也较小 ， 故 ， 的缺 口 试样裂纹形成寿命长于 吞 ， 缺 口 试样裂纹 形成 寿 命 ， 因而 其疲 劳断裂的总寿命也长 。 缺口 对蠕变性能的影响依赖于材料松驰应力集中的能力 。 如 果通过塑性变形 将应力集中 松 驰 ， 而 又不至于造成 晶界滑移而产生晶界裂纹 。 由于缺 口 的 几何强 化 作 用 ， 则 映 二 光 ， 即缺口敏感系 数 “ 聋 ‘ 。 另外 ， 由于晶 内形 变能提供较大变形量 ‘与晶界变形相比， ， 故 当晶内蠕变抗力相对于晶界高时 ， 使得总变形量小 ， 应力集中不能得到较好松驰， 增加 晶 界应力 ， 使晶界产生严重 滑动 ， 导致早期开裂， 而产生缺 口敏 感 ， 即 久 。 相反 ， 若 晶内 蠕变抗力较 低 ， 晶界相 对较强 时 ， 应 力集中能得到较好松驰 ， 且缺 口的多 向应 力能起到强 化 作用 ， 即 无 缺 口敏感性 ， 而 使 久 。 蠕变 疲 劳交互 作 用时 ， 仍是蠕 变与疲 劳复合 作 用的迭加 ， 故在疲 劳应力分量 较 高的 区 城 ， 缺 口 的影 响基本上与纯疲 劳 的影 响一致 ， 即丫 光 缺 ， 而 以蠕变应 力作 用 为主的 区城 ， ‘ 其影响与对持久 蠕变 性能影 响一致 ， 即 缺 光 。 合金蠕变疲劳交互 作用的试验结果 见图 与上述分析是相 符的 。 即当蟠变

应力分量增加，疲劳应力分量下降时（σ按小，而σ较大时）缺口寿命高于光滑寿命，不 存在缺口敏感性。当疲劳应力分量增加，而蠕变应力分量下降（△σ较大，.较小）时，缺 口寿命低于光滑寿命，表现为缺口敏感性。 由图3还可以看出，2条缺口试样的曲线(k,=2.3,.k,=3.83)基本上是平行的，说 明缺口的尖锐程度的改变，只影响断裂寿命而不改变蠕变/疲劳交互作用曲线的趋势。由此 可推测，缺口尖锐程度的变化只改变了应力集中程度，因而断裂过程中断裂机制（裂纹萌 生、形核、扩展、断裂)也未发生本质的改变。 3,2保戴时间对合金低周疲劳性能的影响 由图2可以看出：引入保载时间使合金光滑和缺口的疲劳断裂周次降低，说明因保载时 间引入了蠕变损伤。断口分析也可清楚看到保持时间的加入使断口的穿晶断裂上又叠加了 少量的沿晶断裂成分。可以认为蠕变沿晶裂纹可以在穿晶的疲劳裂纹基础上扩展，即疲劳裂 纹促进了蠕变裂纹的形成、扩展。（见图4）。（图4应力为omx=833MPa,0mim= 784MPa) 图4蛇变/裁劳交互作用断裂特征 图5沿品的幅变断裂（在蠕变应力分量较高区城 的断口) Fig.4 Fracture appearace after LCF with Fig.5 Intergranular fracture after dwelling at maximum stress creepdominant creep/fatiguc interaction failure 3,3幅变疲劳交互作用时，不同应力分量对材料力学行为的彩响 固定试验的最大应力(cmax=833MPa),改变最小应力(omi。=-735~784MPa)得 到合金在不同程度的蠕变/疲劳交互作用条件下的力学性能，可明显看到材料的力学行为与蠕 变应力分量和疲劳应力分量所占的比重不同而变化。当交变应力幅△σ增加，平均应力σm降 低，即曲线在上部高△σ区（见图8），断裂主要受疲劳分量△σ控制。当△σ降低，在曲线 下部高0m区，断裂主要受蠕变分量σ。控制。在曲线中部区域，则是上述2种情况的相互过 渡，存在明显的蠕变/疲劳的交互作用，断裂寿命较相应△σ下的纯疲劳寿命和相应0。下的纯 蟠变寿命都有较大幅度的降低。而整个插变/疲劳交互作用断裂寿命特征图在蠕变/疲劳的一 定交互作用区具有最大的断裂寿命值（见图8）。 图5是在蠕变应力分量较高(omax=833MPa,gmin=294MPa)区域的断口，试样是 以沿晶的蠕变断裂为主。图6是接近纯蟠变条件下(gmax=833MPa,gmia=735MPa)缺 口试样断口，可明显看出试样是以沿晶为主的蠕变断裂，图上还可看到沿晶的2次裂纹。图 7是接近纯疲劳条件(gmx=833MPa,amia=~735MPa)下缺门试样断口，试样是以疲 劳裂纹形核、扩展并复合少量蠕变裂纹，最后以疲劳裂纹断裂为主。 432

应力分量 增加 ， 疲劳应力分量下降时 八 较小 ， 而。 。 较大时 缺口寿命高于光滑寿命 ， 不 存在缺 口 敏 感 性 。 当疲 劳应 力分量 增加 ， 而 蠕 变应力分量下降 △口 较大 ， 口 。 较小 时 ， 缺 口寿命低于 光滑寿命 ， 表现 为缺 口敏感性 。 由图 还可 以看 出 ， 条缺 口试 样的 曲线 ， 二 ， ， 二 基本上 是 平行 的 ， 说 明缺 口 的尖锐程度的 改变 ， 只影 响断裂寿命而 不 改变蠕 变 疲 劳交互 作 用曲 线 的 趋 势 。 由此 可 推测 ， 缺 口尖锐程度 的变化只 改变 了应力集 中程度 ， 因而 断 裂过程 中 断 裂 机 制 裂纹 萌 生 、 形 核 、 扩展 、 断 裂 也 未发生 本质 的 改变 。 保载时间对合金低周疯劳性能 的影响 由图 可 以看出 引 入保载 时 间使合金光滑和 缺 口 的疲 劳断 裂周次降低 ， 说 明因保载 时 间引 人 了蠕 变损伤 。 断 口 分析也 可 清楚看到保持时 间的加 入使断 口 的穿晶断 裂上 又 登 加 了 少量 的沿 晶 断 裂成 分 。 可 以认 为端 变沿 晶裂纹可 以在穿晶的疲 劳裂纹 基础上 扩展 ， 即疲 劳裂 纹 促进 了蠕 变 裂 纹 的 形 成 、 扩 展 。 见 图 ， 。 图 应力 为 。 二 ， 而 ， 二 。 图 蟠变 疲 劳交互 作 用断 裂特征 图 沿晶 的场 变断 裂 在端变应 力分盘较高区城 的断 口 绷变疯劳交互作 用 时 ， 不同 应力 分皿 对材 料力学行为的影响 固定试 验 的最 大 应力 口 。 。 、 ， 改变最小 应力 二 。 一 一 得 到合金 在不 同程度的蠕 变 疲 劳交互 作用条件下 的力学性能 ， 可 明显看到材料 的力学行 为与蠕 变应力分量和疲劳应力分量所 占的 比重不 同而 变化 。 当交变应力幅△口 增加 ， 平均应 力 二 降 低 ， 即曲线 在上部高 △ 区 见 图 ， 断裂主要 受疲 劳分量 △ 控制 。 当△『 降低 ， 在曲线 一 部 高 区 ， 断裂主要 受蠕 变分量 口 二 控制 。 在 袖线中部区域 ， 则是上 述 种 情况 的相互过 渡 ， 存在 明显 的蟠 变 疲 劳的交互 作 用 ， 断裂寿 命较 相应如下 的纯疲 劳寿命和 相应 二 下 的纯 端 变寿命都 有较大 幅度的降低 。 而整个蠕变 疲劳交互 作 用断裂寿命特 征 图在蠕 变 疲劳的一 定交互 作用区具 有最大的断裂寿 命值 见 图 。 图 是在蠕 变应力分量较 高 二 。 ， “ 。 。 区 域 的 断 口 ， 试样是 以沿晶的蠕 变断裂 为主 。 图 是接近 纯蟋变条 件下 二 。 二 ， 口 二 ，。 ” 缺 口试样断 口 ， 可 明显看 出试样是以沿晶为主的蠕变断裂 ， 图上 还可看到沿晶的 次裂纹 。 图 是接近纯疲 劳条件 口 、 ， 二 ‘ 。 一 下 缺 试样断 「， 试样 是以疲 劳裂纹形核 、 扩展并复合少量蠕变裂纹 ， 最后以疲劳裂纹断裂 为主