两种铁基和镍基高温合金在复杂应力条件下的蠕变及断裂

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1985.04.00M 北京钢铁学院学报 1985年第4期 两种铁基和镍基高温合金在复杂 应力条件下的蠕变及断裂 北京钢铁学院高温合金教研室谢锡善徐志超 上钢五厂·许经峰朱金元 摘要 本文研究了一种铁基合金GH132在650℃和一种镍基GHa3A合金在750℃的纯 蠕变及复杂应力条件下的蠕变及断裂。提出无论是低强度高塑性的GH:32合金还 是高强度低塑性的GH。3A合金在蠕交一疚劳交互作用的复杂应力条件下都将会 不同程度地导致材料的弱化而引起过早的断裂。而且这种弱化随应力的升高而加 剧。在固定平均应力条件下叠加一个交变应力的动态蠕变与恒定应力的静态蠕变相 比较将促使断裂寿命降低。此乃是叠加疲劳促进蠕变断裂的结果。交变应力振幅较 小时，对稳态蟠变速率影响不大，控制蠕变第I阶段的主要因素是平均应力，但交 变应力的振幅较大时将使稳态蠕变速率大大增加。复合交变应力能促进烯变第置阶 段的过早来临和试样的过早断裂。 一、引 言 蠕变及断裂是高温合金评价高温性能中的一个重要指标。五十年代以来，对于纯金属和 简单合金中的蠕变】已经作了不少的研究。然而，对于技术合金特别是不仅具有固溶强化 而且又有第二相强化、成分复杂的高温合金中的蠕变理论近年来也有一些工作做了定量的研 究{4,2，。 复杂应力条件下的高温蠕变及断裂问题显得更为复杂，如在高温蠕变与疲劳交互作用 下，有时可以使材料强化，有时弱化。较多的试验结果认为，静蠕变应力上叠加一个周 期疲劳应力，将使材料弱化，如Ellison和Su1 livan对Udimet700合金所作的工作就 是明显的一例]。Forresti和Smitni)以及Wilshire等t]也曾对Nimonic80A作 过蠕变与披劳交互作用下的力学行为及其断裂的观察。Tin及其合作者】对Y'相强化的 Udjmet700和Y,O3氧化物弥散强化的MA,5合金作了周期蠕变条件下的力学行为研究。 对Nim onicl15合金作应力控制的低周疲劳试验甚至在室温条件下也显示出有编变变状规 律1！的复杂现象。 国内对复杂应力条件下的烯变及断裂的研究在七十年代末刚刚开展，公开发表的文章还 不多。师昌绪等对GH,3【1!及Nimonic80A和Incoloy901t1!二类镍基和铁基合金的 研究指出，蠕变-疲芳交互作用对这两种材科都造成弱化，菲且在材料蠕变延性最小的试验 温度下，蠕变和疲劳的交互作用最强。 22

北 京钢铁 学院 学报 年 第 期 两种铁基和镍基高温合金在复杂 应力条件下的蠕变及断裂 北京钢铁 学院 高温合 金教研 室 谢锡善 徐 志超 上 钢五 厂 许经 峰 朱金 元 摘 要 本 文研 究 了一 种铁基合 金 ， 在 ℃ 和 一 种镍基 。 合 金在 ℃ 的纯 蠕 变及 复杂应 力 条件下的蠕 变及 断裂 。 提 出无 论 是低 强 度 高塑 性的 ， 。 合金 还 是 高强 度低塑性的 合金在 蠕 变— 疲 劳交互 作用 的复杂应力 条件 下都 将会 不 同程度地导致材料的弱 化而 引起过早 的断裂 。 而 且 这 种弱 化 随应 力 的 升 高 而 加 剧 。 在 固定平 均应力条件下 叠 加 一 个交变应力 的动态蠕 变与恒定应力 的静态蠕 变相 比较将促使断裂寿命降低 。 此乃 是 叠加疲 劳促进蠕变断裂 的结果 。 交 变应力 振 幅较 小 时 ， 对 稳态蟠 变速率影响不 大 ， 控 制蠕 变第 阶段 的主 要 因素是平 均应力 ， 但 交 变应 力的振幅较大 时将使 稳态蠕 变速率大大 增加 。 复合 交变应 力 能促进蠕 变 第 阶 段 的过早来临和 试样的过早 断裂 。 它 气鑫 一 、 下二 蠕变及断 裂是高温 合金评价高温性能 中的一 个重 要指标 。 五十年 代以来 ， 对 于纯 金属 和 简单合 金 中的蠕变 〔 ’ 已经 作了不少 的研究 。 然而 ， 对 于技 术 合金特别 是 不仅具 有 固溶强 化 而且 又有第二相 强化 、 成 分复杂的高温 合金 中的蠕 变理论近年来 也有一些工 作做了定量 的 研 究 工 ’ “ ’ 。 复杂应力条件下 的 高温蠕变 及断裂 间题显得 更为复杂 ， 如 在 高温蠕变与 疲 劳 交 互 作用 下 ， 有时 可 以使 材料强 化 ， 有时弱 化 三。 较 多的 试验 结果 认为 ， 静蠕变应 力上叠加 一个周 期疲 劳 应力 ， 将使材料弱 化 ， 如 和 对 合金所 作的 工作 就 是 明显的 一例 “ 〕 。 和 二 〔 以 及 等 〔 也 曾对 作 过蠕 变与疲 劳 交互 作用下 的 力学行 为及其断裂的 观察 。 及其 台作者 【 。 对 记 相 强 化的 和 氧化物 弥散强 化的 。 ‘ 合金作了周 期蠕变条件下 的力学 行为研究 。 对 。 合金 作应力控 制的低 周疲劳试 验甚 至在室温 条件下也显示 出有蠕 变变状 规 律 王’ 。 的 复杂现 象 。 国 内对复杂应力条件下 的 蠕变 及断 裂 的 研究 在七 十年代末 刚刚开展 ， 公开 发 表 的 文 章还 不 多 。 师 昌绪等对 。 ‘ ’ 及 和 ’ “ 二类镍基 和铁 基合金的 研究 指 出 ， 蠕 变 一 疲劳 交互 作用 对这两种 材料都 造成弱 化 ， 并且 在 材料蠕变 延 性最 小 的试 验 温度下 ， 蠕变 和疲 劳 的 交互 作用最强 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1985．04．004

为系统地研究高温合金在接近使用条件下的变形及断裂，本文开始对两种铁基和镍基高 温合金在复杂应力条件下的蠕变及断裂作初步研究。 二、试验用料及试验方法 选择以Y'相强化为主的不同高温强度水平的铁基合金GH132和镍基合金GH8sA的 90mm方锻坯作为试验料，两个合金的成分见表1 表1 两个铁基和镍基高温合金的化学成分 化学成分 重 量% 合金 炉 号 C Si Mn s P GH132 818-85 0.053 0.51 1.52 0.006 0.013 GH33A 922-30 0.046 <0.20 痕 0.005 0.002 Cr Ni Ni Fe Mo V AI Ti Nb B 14.82 25.7 逃 1.35 0.32 0.32 0.225 2.18 0.007 20.88 基 0.13 0.97 2,85 1.62 两合金的热处理工艺为： GH132:980℃/1小时/油冷+720℃/16小时/空冷 GH33A:1080℃/8小 时/空冷+750℃/16小时/ 空冷 为进行比较，首先分别 (a)静态辐变 对两个合金在四个不同应力 时间t 状态下进行静态蠕变试验， ta) 以确定其静态蠕变的基本规 律。为模拟航空发动机的启 动、巡航和停车过程而进 (b)周期持久 了不同应力水平和不同保载 omin 时间的周期持久试验。蠕变 间t △t一一保载时间 一疲劳交互作用的动态蠕变 2△t:-加载时间 (b) 试验是在固定平均应力并迭 加！不同交变应力条件下进行 AAA (c)动蠕态变 的。 上述三种类型试验的载 图1两个合金所 荷谱及具体应力幅值分别表 时间t 周期 进行试验的载荷谐 示于图1及表2中。 A0一交变应力4：幅 23

为系统地研究高温 合金在接近使用 条件下 的变形及断裂 ， 本 文开始对 两种铁基 和镍基高 温 合金 在 复杂应 力条件下 的蠕变 及断裂 作初步 研究 。 二 、 一 试验 用 料及 试 验 方 法 选择 以 训 相 强 化为主 的不 同高温强度水平 的铁基 合 金 、 。 和 镍 基 合金 的 方锻坯 作为试 验料 ， 两个合 金的 成分见 表 表 合 金 两个铁 基 和 镍基高温 合金 的 化学成分 化 学 成 分 重 炉 号 — — 量 一 。 一 痕 。 丁一 可 一 ” 。 ， 两 合金 的热 处理工艺 为 ℃ 八小 时 油冷 ℃ 小 时 空 冷 ℃ 小 一— 只侧 才 空 冷 ℃ 小 时 空 冷 为进 行 比 较 ， 首 先分别 对 两 个合金在 四 个不 同应 力 状 态 下进 行静态 蠕变试 验 ， 以 确定 其 静态 蠕变 的基本规 律 。 为模 拟航空 发动机 的 启 动 、 巡航 和停车过 程而进 行 了不 同应 力水平 札 不 同保 载 时 间的周 期持久试 验 。 蠕变 一 疲 劳交互 作用 的 动 态蠕变 试 验是在 固定平 均 应 力并迭 加不 同交变应 力条件下 进 行 的 。 上述三种 类型 试验 的 载 荷谱 及具体应 力幅值 分另 表 示于 图 及表 中 。 静态蠕 变 时 间 周 期持 久 时 间乞 八 —保 救时 间 么 七‘一 一 加 卸载时 县 · 一 一 匕 、 ， 弓 、 闷 动蠕态 变 斗公﹄ ‘ 一 周 期 时 间七 △叮 一一 交 变 应 力扒 ， 辐 图 两个合 金所 进 行 试验 的载荷谱

表2 静态蠕变、周期持久和动态蠕变的具体温度和应力 (a)静态蠕变试验 合 金 GH132 GH33A 试验温度（℃） 650 750 试验应力σ 50 50 (kg/m m2) 48 45 46 40 43 35 (b)周期持久试验 GH132合金(650℃) 应力 o(kg/mm 2) 46 保持时间△t(分) 01351030 “0n GH33A合金(750℃) 应力o(kg/mm2) 50 保持时间△t(分) 0 13 510 “ocn (C)动态蠕变试验 GH132合金(650℃) GH33A合金(750℃) 频 率 0+△0 频 率 g+△。 (Hz) (kg/mm 2) (Hz) (kg/mm2) 43±6 40±5 10 43±12 10 40千10 43±18 40±15 43±6 40±5 0.1 43±12 0.1 40±10 43±18 40±15 分析各种特定蠕变条件下的变形及断裂，采用光学显微镜观察断裂试样的纵断面，用 JCXA-733型扫描电镜进行断口观测。 三、试验结果及讨论 1.常规力学性能 两合金的常规力学性能列于表3,4。进行比较可以看出GH132合金由于Y'相量少其强度 较低而持久塑性较高，属低强度高塑性材料；相反GHaA合金由于含Nb及Y'相量相对较 24

表 静态蠕变 、 周 期持久和动态蠕变的具体温度 和 应 力 静态蠕变试 验 才 、 才公 口 二〕 乙 一一 一 一 一 一一 试验温度 ℃一 垮默 周 期持久试验 一… … 合金 ℃ 应 力 “ 保持时 间 △ 分 合 金 ℃ “ ” 应 力 ， 保持时 间 一 八 分 “ ” 动态蠕变试 验 合金 合 金 ℃ 一丽 一革 丁一一 石军公于一刃一 频 ’ 率 。 十 △ 。 里生 一匕二竺业里兰一匕一二塑 一书一竺竺钾竺匕 ‘ 士 “ … … ‘ 士 “ ‘ 土 ‘ ‘ 不 ‘ … ” 士 ‘ ” 一 一 上 里竺兰一 一 士 “ 士 “ 土 士 】 ‘ 士 ‘ … ‘ 士 ‘ 分析 各种特定 蠕变条件下 的 变形及断裂 ， 采 用 光学显微 镜 观察 断 裂 试 样 的纵 断面 ， 用 一 型扫描 电镜进 行断 口 观测 。 三 、 一 试验 结果 及 讨论 常规 力学性能 两合金 的 常规 力学性能列 于表 ， 。 进 行 比较可 以看 出 ， 。 合 金 由于 丫 相 量少其强度 较低 而持久塑 性较 高 ， 属低强度高塑 性材料 相反 。 。 合金 由于 含 及 丫‘ 相 量相对较

表3 GH133合金的常规性能 00.2 74.1 Ob 81.5 (kg/m m2) 73.3 650℃ (kg/m m2) 82.5 室 Ub 105.9 高 (40kg/mm2) 温 (kg/m m2) 104.9 T,(小时) ≥181 温 性 8(%) 26.6 25.1 性 8,(%) 32.6 27.4 能 48.1 能 Ψ，(%) 58.0 (%) 46.8 58.2 11.1 3.45 Ax (kg.m/cm2) 11.5 HB(压痕直径mm) 3.50 表4 GH33A合金的常规性能 00·2 88.7 Ob (kg/m m2) 87.7 750℃ (kg/m m2) 82.5 室 Ob 127.4 高 35kg/mm2持久 143.5 温 (kg/mm 2) 128,0 T,(小时) 131.5 温 性 8(%) 29.5 3.2 31.0 性 8,(%) 1.5 能 能 中(%) 37.1 型，(%) 1.99 34.8 7.99 Ak(kg·m/cm2) 7.56 3.30 7.13 HB(压痕直径mm) 3.30 高，属高强度低塑性材料。 2.静态蠕变 GH132和GH33A合金分别在650℃及750℃不同应力条件下的蠕变曲线见图2,3。不难 看出，两合金都具有典型的蠕变三阶段的变形规律，且随应力减小蠕变速率降低，断裂寿命 延长，但断裂塑性相应降低。 依据蠕变理论，在一定温度下，稳态蠕变速率es、应力σ和断裂寿命T,之间存在下列关 系： es=Agh (1) sm.Tr=C (2) od.tr=B (3) (1)(2)(3)式中的A和n,m和C,以及d、B都分别为特性常数。 根据两合金已测出的蠕变数据进行回归处理，并求出相关系数「，得到如下方程： GH132合金 es=1.24×10-27016 r=0.9907 (4) es0.76.T,=4.56 r=-0.9992 (5) g11.2,t,=6.35×1020-r=-0,9912 (6) 25

表 合金 的 常 规性能 ” ’ 。 ” ，’ ” ’ 石 ， ” ’ ” ’ 川 一 ’ 。 ” ” ” ’ 。跳 一三竺竺里兰一阵一些土一一 “ ℃ ’昆 ’ ， 一 。 高 止望翌兰一 一一竺 巨一 少吵 一 生 一 ‘竺 一 、 一互竺竺匕一 …一 性 、 … 赞 · 梦 、 。 二全 非 竺· 份一 此 ‘一 — …一竺上一 ’ 一 一 巨 兰二 一 日匕 「 吞匕 」 ， ， 、 匕 、 ， 。 ， 、 ‘ 甲 又 少 。 。 丫 气 了心户 氏 一止一一扁一一一一二一三兰生一一 压痕直径 表 合金 的 常规 性能 一 一 曰 曰 “ ℃ 口 么 温高 “ 持久 小时 乙 ， 性能 乙 能 — 一 一 邓— 甲 室温性能 一 “ 压 痕 直径 高 ， 属 高强度低 塑 性材料 。 静态姗 变 和 合金 分别 在 ℃及 ℃不 同应 力 条件下 的蠕变 曲线见 图 、 。 不 难 看 出 ， 两合金都具有典型的蠕变三 阶段 的 变形 规律 ， 且 随应 力减小蠕变速率降低 ， 断裂寿 命 延 长 ， 但断裂塑 性相应 降低 。 依据 蠕变理论 ， 在一定温 度下 ， 稳态蠕变 速 率公， 、 应 力 和断 裂 寿命 之 间存在下列 关 系 户， 二 艺 二 口 。 丫 式 中的 和 ， 和 ， 以及 、 都分别为特 性常数 。 根据 两合金 已测 出的蠕变 数据进 行 回归 处理 ， 并求 出相关 系 数 ， 得 到如下方 程 合金 户 二 又 一 “ ‘ “ 户 “ · ” · 丫 一 仃 ” · 么 · 火 “ 。 一 。

30k5/nm2 ()~来到 48kg/m mt 18 46kg/mm 13kg‘T1T1 0 100 150 200 250 时间t(Hy) 图2GH132A合金在650℃不同应力条件下的蠕变曲线 GH33A ) 750℃ 50kg/mm2 3 45kg/mm* 40kg/mm: 35kg/mm2 20 % 60 80 100 120 时倒，：（小时）一) 图3GH33A合金在750℃不同应力条件下的蠕变曲线 87 65 4 3 ★ 1t12=1243910?g5.09‘y-0.9907)65cC G1133A=1.908×1)。g10.9871)70C 10 10- 34方678寸n一2 有才6T8910 10g船变速（的，小时）一一 图4GH132和GH33A合金在650℃和750 ℃蠕变时蠕变速率和g应力的关系 26

滩泊 。 卜 孟 飞 奇 魂 用 次八 ‘ 涣粼喇 刁 导 之 口 口 么玉口 时 间 图 合金在 ℃不 同应力条件 下的蠕 变 曲线 一 了 ’ 次︵ 全 小 刹趋朝 时间 ， 小时 一一， 图 合金在了 ℃不 同应 力条件 下的蠕变 曲线 ，二 内日‘ 。舀 、一七厂尸︸ 、 艺助 刽 义 切 仃 ， · “ 丫一 劝 色 已 “ 袂﹄议 口 血 “ 、毕 一 匕 门 如 一 翔 产 火 。 泛 飞 “ · ” ， ’ 。 火 二 。 丫 ‘、 乙 碌 考 心 蠕变 全 速 举 ， ， 小 时 湘匆 闷卜 图‘ 笔蘸堪瓣瑟攀毓辘肾雾紧