Mg、Zr对GH33A合金高温疲劳以及静、动态蠕变行为的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.01.006 北京·钢铁学院学报 第9卷，第1期 Journal of Beijing University V01,9,No.1 1987年1月 of Iron and Steel Technology Jan,1987 Mg、Zr对GH33A合金高温疲劳以及静、 动态蠕变行为的影响 房晓光 梁晋 谢锡善 许经峰 （北京钢铁学院高温合金教研宝) （上海第五钢铁厂) 摘 要 本文研究了含Mg.Zr与不含Mg.Zr两种GH33A合金的高温疲劳和静，动态蠕变行为. 结果表明，微量元紫Mg.乙对提高瘦劳性能不显著，也不能改善疲劳缺口敏感性，缺口疲 劳性能取决于缺口的几何参数K:与入，材料的光滑疲劳极限和平均品粒尺寸微量元紫Mg.Z: 的良好作用主要表现在静态蠕变条件下，充分发展和延长了蠕变第Ⅱ和第Ⅱ阶段，增加蜗变 断裂延伸率，并大大提高断裂寿命，这种良好作用在恒载且选加有夜劳交变应力的动态蜗变 条件下仍然保持。 关键词：变，玻劳、动态蠕变、缺口敏感性 Influence of Magnesium and Zirconium on High Temperature HCF,Static and Dynamic Creep Behaviours in Disc Material GH33A Superalloys Fang Xiaoguang Liang Jin Xie Xishan Xu Jinfeng Abstract This paper investigated high temperature HCF,static and dynamic creep behaviours in GH33A superalloys with and without Mg and Zr.HCF notch'se.. 1986一05一18收稿 35

第 卷 ，第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 ， 。 、 ” 对 合金高温疲劳以及静 、 华 一户 少 动态蠕变行为的影响 房晓光 梁 晋 谢锡善 许经峰 北京钢铁学院高温合金教研室 上海 第五钢铁厂 摘 要 木文研究了含 与不含 ， 两种 合金的高温疲劳和静 动态蠕变行为 。 结果表明 ， 微量 元 素 对提高疲劳性能不显著 ， 也不能改善疲劳缺 口 敏感性 缺 口 疲 劳性能 取决于缺 口的几何参数 与入 ， 材料的光滑疲劳极限和平均晶粒尺寸微量元素 的 良好作用主要表现在静态蠕变条件下 ， 充分发展和延 长了蠕变第 五和 第班 阶段 ， 增加蠕变 断裂延伸率 ， 并大大提高断裂寿命 这种 良好作用在恒载且迭加有疲劳交变应力的动态蠕变 条件下仍然保持 。 关键词 蠕变 疲劳 动态蠕变 缺 口 敏感性 ‘ ， ‘ ， ， 了， ， ， · 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．01．006

nsitivity in the two alloys was analysed.Results show that a small amount of Mg and Zr can improve neither HCF properties nor fatigue notch sensitivity. Notch fatigue limit depends on smooth fatigue limit,grain size and notch geometric parameters K:and A (stress concentration coeffecient and stress gradient).A small amount of Mg and Zr can intensively prolong secondary creep stage and well develop tertiary creep stage,and so increase stress ru- pture life and stress rupture ductility significantly.The benificial effect still exists under dynamic creep condition. Key words:fatigue;creep,dynamic creepy notch sensitivity 前 言 航空发动机在飞机多次起飞一巡航一着陆的循环中，其重要热端部件的破坏以疲劳/ 蠕变交互作用破坏为主。研究材料的疲劳、蠕变，特别是在接近使用条件下的蠕变/疲劳交 互作用，损伤规律对改进材料及构件的使用性能，延长发动机寿命，确保安全都是十分重要 的。(1,2,3) 对含Mg、Zr与不含Mg、Zr两种GH33A合金的静、动态蠕变和高温旋转弯曲疲劳行为 进行探讨，并分析缺口对旋转弯曲疲劳极限的影响，这对正确估价GH33A合金，为提高GH 33A合金在高温使用条件下的综合性能以及为带缺口构件疲劳寿命的估算都具有重要意义。 1试验用料和试验方法 试验用料选自上海第五钢铁厂真空感应及真空自耗炉炼制的90mm方坯熔检料，其化学成 分见表1。M、N分别表示含Mg,Zr与不含Mg、Zr的GH33A合金。.两种合金的热处理制度为： 1080℃×8h/空冷+750℃×16h/空冷 高温旋转弯曲疲劳试验在PWC510WG型试验机上进行，采用圆棒试样，频率为83Hz。为 分析这两种GH33A合金的疲劳缺口敏感性，试样制成光滑与缺口（根部半径r=0.75mm)两 种。 表1 含Mg、Zr和不含Mg、Zr两种GH33A合金的化学成份(wt.%) Table 1 Chemical composition of GH33A alloys (wt,% Alloy C Ma Si P Ni Cr Al Ti .No 女 0.047 0.01 0.07 0.005 0.005 bal 20,46 0,96 c.*: 1.55 < 0.20 N 0.038 0.10 0,004 0.006 bal 20.23 0.965 2.84 1.48 0,16 0.035 0,905 2.64 Alloy Cu Pb Bi Aa Sb Sa B帝 C。 Ms Z: M < < < < < < 0.006 0.002 0.005 0.028 0.05 0.00050.001 0.0025 0.00250.0025 N < < < < < < 0.006 0.002 0.05 0,0005 0.0001 0.0025 0.00250.0012 36

， ， 久 迁 ， 乡 ‘ 前 言 航空发 动机在 飞机多次起 飞一巡航一着陆 的循环 中 ， 其重要 热端部件的破 坏 以 疲 劳 蠕变交互作 用破坏 为主 。 研究材料 的疲劳 、 蠕变 ， 特别 是在接近 使用 条件下 的蠕变 疲 劳 交 互作 用 ， 损伤规律对 改进材料及构件的使用性能 ， 延 长发动机寿命 ， 确保安全都 是 十分重要 的 。 〔 ， ， 〕 对 含 、 与 不含 、 两种 合金 的静 、 动态蠕变和 高温旋转弯 曲疲 劳行 为 进 行探讨 ， 并分析缺 口对旋 转弯 曲疲劳极限 的影响 ， 这 对正确估价 合 金 ， 为提 高 合金在高温使用条件下 的综合性 能以及为带缺 口构件疲劳寿命的估算都具有重要意 义 。 试验用 料和试验方法 试 验 用料选 自上海第 五钢铁厂真空感应及真空 自耗炉炼制 的 方坯熔检料 ， 其化学成 分见表 。 、 分别表示 含 、 与 不含 、 的 合 金 。 两种 合金 的热处理制度为 ℃ 又 空冷 空冷 高温旋转弯 曲疲 劳试 验在 型试验机上进行 ，采 用 圆棒试 样 ， 频率 为 。 为 分析这两种 合金 的疲劳缺 口敏感性 ， 试 样制成光滑与缺 口 根 部半径 两 种 。 表 含 、 和 不 含 、 两 种 合 金 的化学成份 亡 兰。 · 。 …兰…兰…竺…兰…兰…兰…二 … 。 · ‘ 。 … 。 · 。 。 ‘ … 。 · 。 … “ ‘ … 。 · … 。 · 。 · 【 【 ” · 。 。 。 。 。 。 。 亡 ‘ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ‘ 币 铆 ‘ 。 。 。 。 。 。 。 · 。 万 ” 吕 】答· …缨· …臀· 臀· 。 】瞥” · 臀” · 。 ‘ 、 、 】万万…一

静态和动态蠕变试验均在T一54型蠕变机上进行，表2给出了试验温度及应力水平。 试验后的试样使用光学金相显微镜及扫描电镜观察了其显微组织及断裂特征。 表2 a,静态蠕变试样条件 b动态蠕变试验亲件 Table 2 a,Static creep test condition b,Dynamic.creep test condition Alloys M&N Alloys M N Temp.(C) 750 Te四P,(C) 750 700 Freq.(H:) 0.110 0.1 10 0,1 10 Stress (MPa) 393 442 491 491 Stress (MPa) 393士49 393±98 393±147 2 试验结果 2.1常规性能 含Mg、Zr与不含Mg、Zr的M合金和N合金的晶粒平均尺寸分别为0.042mm和0.047 m;晶粒评级为3~5级。常规力学性能见表8，其中M合金强度指标略高于无Mg、Zr 的N合金，这是M合金中AI、Ti、Nb的含量略高于N合金的缘故。 表3 两种GH33A合金的常规力学性能 Table 3 Mechanical properties of both GH33A alloys Alloys Temp.(C) (MPa) (MPa) (%) (%) ak (J/m) H。(m血) R.T. 857 1256 30.5 38.2 82X105 3,5 857 125 30.5 31,1 79X106 3,35 700 756 1011 26,8 33,7 791 980 23,68 32,7 R.T. 785 1197 28.2 33,2 68X106 3.40 785 1186 29.6 35.2 69×108 3,40 700 1001 21.8 28.1 1002 24.6 28,4 2.2高温旋转弯曲疲劳 对M和N合金在700℃下的光滑及缺口疲劳极限分别采用升降法求出，并给出相应的四 条S一N曲线，见图1。可以看出无论是加Mg、Zr的M合金还是不加Mg、Zr的N合金都是 疲劳缺口敏感的，在700℃下的缺口疲劳极限分别为327MPa和322MPa,约为光滑疲劳极限 值的/4。M合金的光滑疲劳极限略高于N合金，实验验证与M合金成分更相近的不含Mg、 Zr的GH33A合金的光滑疲劳极限与M合金是相等的。 2.3静态蠕变试验 在750℃、不同应力条件下测得的蠕变曲线见图2。可以明显看出，含微量Mg、Zr的 M合金由于蠕变第Ⅱ和第Ⅲ阶段的延长和充分发展，使得蠕变断裂寿命大大提高，并增加了 断裂延伸率。但Mg、Zr的加入对最小蠕变速率emi并无显著影响（见图3）。 2,4动态蠕变 37

静态和动态蠕变试验均在 一 型蠕变机上进 行 表 给出 了试验温度及应 力水 平 。 试 验后的试样使用光学金相显微镜及 扫描电镜观察 一 了其显微组织及断裂 特征 。 表 静态蠕变 试样条件 卜 动 态蠕变试验条件 亏 ‘ 。 。 。 士 土 土 试验结果 常规性能 含 、 与 不含 、 的 合 金和 合金 的晶粒 平 均尺 寸 分 别 为 和 ， 一 晶粒评级 为 级 。 常规力学性能见表 ， 其 中 合金 强度指标略高 于 无 、 的 合金 ， 这是 合金 中 、 、 的 含量 略高于 合 金的缘故 。 。 表 两 种 合金的 常规力学性能 ‘ 。 · ‘ 、 · ， ， · 二 。 · · “ ‘ 。 · ” · ， ，。 。 · 一 一 “ 一 －－－－－－－ 了 ’ ‘ · ‘ “ · －－ 卜止竺 一一 一止竺一 ‘ 二竺兰一 阵二全兰 一 －－ · · ’ ‘ ，。 “ · ” · ，。 … · ‘ 。 一 一 。 “ －－－－－－－ 。 。 · “ 吕 · 一 二 “ · “ 吕 · 或 高温旋 转弯曲疲劳 一 对 和 合金在 ℃ 下 的光滑及缺 口 疲劳极限分别采 用升降法求 出 ， 并给 出相 应 的 四 条 一 曲线 ， 见 图 。 可 以看 出无论 是加 、 的 合 金还是 不加 、 的 合金 都 是 疲 劳缺 口敏感 的犷 在 卯 ℃ 下的缺 口疲 劳极限分别 为 和 认 ， 约 为光滑 疲劳极限 值的 。 合金 的光滑疲劳极限略高于 合金 ， 实验验证与 合金成分 更相近的不含 、 的 合金的光滑疲劳极限与 合金是 相等的 。 ， ’ 一 静态蠕变试验 在 ℃ 、 不 同应力 条 件下测 得的蠕变 曲线见 图 。 可 以明显看 出 ， 含 微 量 、 的 合 金 由于蠕变第 和第 阶 段的延 长和充分发 展 ， 使 得蠕变 断裂寿命 大大提 高 ， 并 增加 了 断裂延 伸率 。 但 、 的加 人对 最小蠕 变速率。 。 并无显著影响 见 图 。 。 动态蠕变

北i0c 至600 M'nnooth 750"c 6y a.d:391.Pa N snoot 20 -✉=H b.e:422 6520 一N notched }r.「：491 007-1466. 16 8 440 0.321 322 LLLLLL 10 10 10 Cycles to failure Nr 20 40 6080100120140150 Time t.h 图1.M和N合金光滑及依口试样的疲劳极限 图2，GH33A合金在750℃的静态蠕变曲线 Fig.1 Smooth and notch fatigue limits Fig.2 Creep properties of both for alloys M and N GH33A Alloys 800 700 600 500 0 400 55135 300 200 0,L 5x10810? 2 5 Minimum Creep Rates min,%/h 图3，Mg.Z对最小蠕变速事的影响 Fig.3 The influence of Mg,Zr on minimum creeo rates 在750℃恒定应力迭加不同频率和不同振幅的交变应力后，其动态蠕变曲线见图4。同样 看出加Mg、Zr后，与静态蠕变结果类似，合金的断裂寿命及断裂延伸率均有明显提高。 :20 750c0.1Hm n.e:393:HPa 20 750b10Hw',4.e:393,a b.f:39349 N 393年98 b,fG39)49 16 d,hr39317 d,ht393±147 12 ·20406080100.120140150 020 40 6080100120140150 Time t,h Tine t,h 图4.加Mg.Zr与不加Mg.Zr两种CH33A合金在750℃的动态蠕变曲线 Fig.4 Dynamic creep curves of alloys M and N 2.5断口观察 从静态蠕变断口可见（图5），含Mg、Zr的M合金是高塑性的沿晶断裂，.而不含Mg、 38

‘丫口 峋 ，‘ ，， ℃ 日 、 白 ‘、 、 山‘ 卜 一 多，飞。 护 白 丁 晓 压艺门 矛叹斑弓‘ 一︸ 亡， 幼城 ·矛‘ ‘ 心 、 ， 厂 态 岌护口， 儿一 “ 科滋讲咒叶 。 欲‘ 叫材。的自山。﹄。 护卜，卜几‘ 如 ， ‘月夕， 叫曰口的妇已巨口。。门﹄。璐 万 ，夺 主‘啤 图 和 合金光滑及长 口 试样的疲劳极限 图 ， 合金在 ℃ 的静态蠕变曲线 ︺，长扩沪了口目一 一︸ 医艺口 ‘ 习的切的。甸 裂 军 一 ， 日 食 己 、岸光 图 ‘ 一 对最小蠕变速串的影响 、 在 ℃ 恒定应力迭加 不 同频率和 不 同振 幅的交变应力后 ，其动态蠕变 曲线见 图 。 同 样 看 出加 、 后 ， 与静态蠕变结果 类似 ， 合金的断裂寿命及断裂延 伸率均有明显提高 。 目 叮口肠 一 云 二 日 七 。 一 ， 犷 一 ，，〕 弓七 ‘ 斗眺 ‘ … ，，李 即。 了 刀 月， 子沙妙幼 歹，犷， ，歹 ‘ 二 ︾乡喻 蟾 介 · 处 闷仔找。尸 欲 ‘ 口时向会习“。 ， 口几，‘ 次 ， 腼 ‘月爪 邓” ，沪宝护飞户 飞泛士﹄ 矛碑产 洛 叹 舀， 勺，哺忿 肠较 · 公叫月乙。 会巴 · 介 · ’ ’ ， 卜 ， 图 加 与不加 两种 合金在 ℃ 的动态蠕变曲线 断 口 观察 从静态蠕变 断口 可 见 图 ， 含 、 的 合金是 高塑性的沿 晶断裂 ， 而不含

Z的N合金则为典型的低塑性沿晶断裂。从两种合金的动态蠕变试样断口（图6）上可以看 到含Mg、Zr的M合金具有沿品和穿晶的混合断裂特征，而N合金仍然是低塑性的沿晶断裂。 A.M合金0=393MPa b,N合金=393MPa 图5M和N合金的静态蠕变试样断口 Fig.5 Static creep fractograph of alloys M and N. .M合金G=393土147MPa b.N合金d=393±147MPw 图6M和N合金的动态蠕变试样断口 Fig.6 Dynamic creep fractograph of alloys M and N. 3 分析与讨论 3.1疲劳与疲劳缺口敏感性 由图1看出所研究的两种GH33A合金都具有疲劳缺口敏感。GH33A合金中加入微量元 素Mg能消除持久缺口敏感性(4)，但对于疲劳缺口做感性却无明显改善。 两种合金的缺口试样，在疲劳极限附近，整体仍处于弹性区域，其循环应力应变关系 是线性的。用弹性理论进行应力分析时，可以将所给试样的缺口形状用一旋转双曲面近似表 示，解得缺口根部最大轴向应力为(5)： 39

的 合金 则为典型 的低塑性沿 品断裂 。 从 两种合金 的动态蠕 变试 样断 口 图 卜可 以看 到 含 、 的 合 金具有沿 晶和穿 晶的混 合断裂 特 征 ， 而 合 金仍然 是 低塑性 的沿 晶断裂 。 缪晖… 合金 叮一 合金 一 图 和 合金的静态蠕变试样断口 二 合金 一 土 合金 士 图 和 合金的动态蠕变试样断 口 分析与讨论 疲劳与疲劳缺 口 敏感性 由 图 看出所研究 的两种 合 金都具有疲劳缺 口敏感 。 合金 中加 人微量元 素 能消除持久缺 口敏感性〔 〕 ， 但对于 疲劳缺 口敏感性却无 明显改善 。 两种 合金 的缺 口试 样 ， 在 疲劳极限 附近 ， 整体仍处 于弹性区域 ， 其 循 环应力 应 变 关 系 是 线性的 。 用弹性理论进 行应力分析 时 ， 可 以将 所给试样的缺 口 形状用 一旋 转双 曲面近 似表 示 ， 解得缺 口根部最大轴 向应力为〔 〕