GH132合金疲劳蠕变交互作用下裂纹扩展速率研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.03.027 北京钢铁学院学报 J.Beijing Univ,of Iron Steel Technol, Vol.9No,31987 GH132合金疲劳蠕变交互作用 下裂纹扩展速率研究 张宏学 姜红根 杨王玥·谢锡善 陈国良 (北京钢院材料系) 赵玉才，诸建忠 (上钢五厂) 摘 要 通过对650℃.不同应力条件下GH132合金的裂纹扩展速率的测定结果表明： (1)由于GH132合金的蟠变与疲劳裂纹的扩展机构不同，使得前者有更大的 环境敏感性。 (2)在疲劳蠕变交互作用条件下，裂纹的扩展过程受Kx及△K共同控制 (K。g=Kmax十xAK)。通常的△K描述法已不能全面解释裂纹扩展速率与寿命 之间的对应关系。 关键词：蠕变，疲劳，交互作用，裂纹扩展速率，环境敏感性，应力强度因子。 The Investigation of Crack Crowth Rate under the Condition of Fatigue-Creep Interaction for GH132 Disc Zhang Hongxue Jiang Honggen Yang Wangyue Xie Xishan Chen Guoliang Abstract The crack growth rates under the condition of fatigue-creep interac- tion at 650C were measured.The results of mesurement indicated that 1986-10-20收稿 44

北 京 钢 铁 学 院 学 报 · 驹合金疲劳蠕变交互作用 下裂纹扩展速率研究 张宏学 姜红根 杨王 明 ‘ 谢锡善 陈国 良 北京钢院材料系 赵玉 才 诸建忠 上钢五厂 摘 要 通过对 ℃ 不同应力条件下 合金的裂纹扩展速率的测定结果表明 由于 合金的蠕变与疲劳裂纹的扩展机构不同 ， 使得前者有更大的 环境敏感性 在疲劳蠕变交互作用条件下 ， 裂纹的扩展过程受 及△ 共 同 控 制 。 ，一 “ △ 。 通常的△ 描述法已不能全面解释裂纹扩展速率与寿命 之间 的对应关系 。 关键词 蠕变 ， 疲劳 ， 交互作用 ， 裂纹扩展速率 ， 环境敏感性 ， 应力强度因子 。 ’ 一 夕 ， ” 夕 班 ” 炸 ℃ 一 。 一 一 一友稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．03．027

the crack growth rate was controlled by both Kmax and AK.In this case the effective stress indensity factor Keq)is a suitable parametes describing the behaviour of crack propagation.Keq is equal to the sum of kmax and a/Ak,Where a was assumed as a parameter represented the effect of crack closure,and a'is a function of crack length. Key words:creep,fatigue,fatigue/creep interaction,crack growth rate, superalloy 前 言 裂纹扩展速率提供了材料在具体应力条件下“极限”抗力的信息。由裂纹达到临界 尺寸时的扩张速率可以估算材料达到该状态的作用时间，从一个侧面反映构件在存在裂 纹条件下的使用能力。 试验结果表明，具有较高强度的高温合金可以用应力强度因子来描述裂纹尖端应力 场及裂纹的扩展行为。纯疲劳条件(R=~1),应力强度因子范围△K是裂纹扩展速率 的控制因素(1，纯蠕变条件，裂纹扩张速率则由最大应力强度因子Kmx所控制。那么， 在疲劳蠕变交互作用条件下，△K及Kmax是如何对裂纹扩展速率产生影响的呢？ 本文的宗旨就在于，通过测定GH132合金在不同应力条件的裂纹扩张速率，确定 疲劳蠕变交互作用条件下裂纹扩张速率的控制因素。 1实验材料及方法 实验用GH132合金的成分为(%)：C一0.055，Mn一1.23，S一0.003，Si一0.47， Ni-27.44,Cr-14.53,A10.18,Ti-1.90,Mo-1.27,V-0.29,B-0.0006, Fe一余额。 采用真空自耗电弧炉治炼，热处理制度为980℃/1h·油冷+720℃/16h·空冷。试样 毛坯在烟气轮机模锻盘上切取，加工成中心孔试样。 试验在Mayes液压伺服疲劳试验机上进行，气氛为空气，650℃，载荷控制，波形 见图1，频率为0.5Hz与1Hz。 Umax tl.t2 time t1/t2=1/10 Omin 图1载荷波形图 Fig.1 Diagram of Waveform 采用电位法测定裂纹长度。裂纹长度a与电位之间关系为(2) 45

△ ， △ ， ， ， 一 只 。 ， ， ， ， 月 舌 裂纹 扩展 速率提 供 了材料在具体 应 力条件下 “ 极 限” 抗力 的信息 。 由裂纹达到 临界 尺寸 时 的扩张速率可 以 估算材料 达到该状态 的作 用 时 间 ， 从 一 个侧面反映构件在存在裂 纹 条件下 的使 用 能 力 。 试 验结果 表明 ， 具 有较高强度的 高温 合 金可 以用 应 力 强度因子来描述裂纹尖端应力 场及裂纹 的扩展 行 为 。 纯 疲劳 条件 一 ， 应 力 强 度 因子范围△ 是 裂纹扩展速率 的控制 因素〔 约 纯蠕 变条件 ， 裂纹 扩张速率则 由最大应力 强 度 因子 所控制 。 那 么 ， 在疲劳蠕变交互作 用 条件下 ， △ 及 是如何对裂纹 扩展 速率产生 影响的呢 · 本文 的宗 旨就在于 ， 通过测定 合金 在不 同应力 条件的裂纹扩张速率 ， 确 定 疲 劳蠕 变交互作 用 条件下裂纹 扩张速率 的控制 因素 。 实验材料及方法 实验 用 合 金 的成分为 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一余额 。 采 用 真空 自耗 电弧 炉冶 炼 ， 热处理制 度 为 ℃ 油冷 ℃ · 空冷 。 试 样 毛坯在烟气轮机模锻盘上切 取 ， 加工 成 中心 孔试 样 。 试 验在 液压伺 服疲 劳试验机上进 行‘ 气氛为空气 ， ℃ ， 载荷控制 ， 波 形 见图 ， 频率 为 与 。 。 鲡盆 雕 角 办 图 载荷波形图 ， 采用 电位法测定 裂纹 长度 。 裂纹长度 与 电位之 间关 系为〔 “ 〕

a=2w cos-1 cosh xy/2 w π osh{(.)osh'〔cosh(2g)/os(a。-〕} 式中：a。一—初始裂纹长度（mm), a一实测裂纹长度(mm), u。一初始电压， 实测电压， w一试样半宽（mm), 2y一电位引出点间距(mm)。 应力强度因子计算公式(3)为 K=〔1.121-0.219（是）+0182(a/m)‘)·7 πasec 式中：g一名义应力(MPa) a一裂纹半长度（mm) 数据用七点递增法进行处理，包括：Paris公式，多项式曲线回归及双曲正弦曲线 回归。 2 试验结果 ·2.1~由da/dN-△K表示的裂纹扩展速率曲线 本实验中二个频率f及不同应力比R(=·min/omax)的疲劳及疲劳蠕变应力作用 下的五组da/dN-△K曲线，如图2所示。 10 102 650℃ 0C f=0:51z (b) -1.0Hz o▣--Ra-1:0 8二e0:g -1k=0.6 10 'NP/VP 10 10 104 10 10 10 102 103 101 102 103 Stress intensity faetor range Stressintensliy factor range △K*9.807.N/mm/2 △K,x9.807.N/mm3z 图2应力比R对裂纹扩展的影响 Fig.2 Effect of stress ratio R on cracks propagation 曲线在双对数坐标的中等△K范围内出现“弯折”。对图2的数据分别用Paris、 多项式及双曲正弦函数进行回归处理，结果见下表。结果表明，用后两种函数形式均比 Paris公式处理的相关系数高，可以推测，后两种均比Paris:公式更真实地描述da/dN 随△K的变化。 46

卫竺 ， 一 汀 “ ‘ 一竺一 、 一 一 〔一 器 一 考护 〕 式 中 － 初 始裂纹 长度 。 －初 始 电压 ， －试 样半宽 ， 应 力 强 度 因子计算 公式 〔 〕为 ， － 实测裂纹 长度 ， －实测 电压 ， － 电位引 出点 间距 。 、 “ ‘ ， ， 、 ， 、 了 兀 、 八 上 · “ 一 · “ 州 气一不一 夕 十 · 土 “ 气 ” ‘ 兀 邪 、 几万 一 ’ 。 式 中 一一名义 应 力 － 裂纹 半 长度 数 据 用七 点递 增法进行处理 ， 包括 公式 ， 多项式 曲线 回 归及双 曲正弦 曲线 回 归 。 试验结果 ’ 由 一 △ 表 示的裂 纹扩展速率曲线 ‘ 本实验 中二个频率 及不 同应 力 比 二 ，。 、 的疲 劳及疲劳蠕 变应 力 作 用 下的五组 一 △ 曲线 ， 如 图 所示 。 之任‘ 三材祠名。﹄助加巴。‘﹄已 口 、 、 已 日 ‘ 卫一司︺仍。‘切奶助。名山‘。 ’ ，匕 二一一一一 、 · 妙 叩 △凡火 · 各 卜 一 一 二一 一 丈二 · 冬 “ △ ，减 图 应力比 对裂纹扩展的影响 曲线在双 对数坐标的 中等△ 范 围 内出现 “ 弯折” 。 对图 的数据分别用 、 多项式 及双 曲正弦 函数进行 回 归处理 ， 结果 见下表 。 结果表 明 ， 用后两种 函数形式均比 公式处理 的相关 系数高 ， 可以推测 ， 后两 种均比 公式更真实地描 述 随占 的变化

Frequency R Regreasion Regression coefficient (H) formula Paris C1.2921X10-11 ,m=3.8707 0.9720 Polynomial 80=-1775.39 ,81=2704.87 0.9933 -1 82=-1337.58 ，8=234.08 Hyperbolic C1=0.1308 ,C2-=23.5013 0.9938 sine Ca=-1.9820 ,C4=-3.3738 Paris C=1.7466X10-11 ，m=4.8552 0.9692 0.5 Polynomial 80=一904.76 ，1=1761.95 0.9908 0.4 a8=-1149.69 ,as=250.44 Hyporbolic C1=0.1133 ,C8=23.6731 0.9879 sine Cg=-1.5302 ，C4=-3.3051 Paris C=2.8800X10~18 ,m=6.5483 0.9039 Polynomial 80=-899.06 ,a1=1974.07 0.9979 0.6 82=-1452.11 ,88=356.42 Hyperbolic C1=0.0625 ,Ca=32.4660 0.9410 sine C8=一1.3581 ,C4=-3.5870 Paris C=6,8344X10-18 m=3.9579 0.9547 Polynomial 0=-1774.80 ,a1=2708.05 0.9908 1 8g=-1381.20 ，4=235.04 Hyporbolic C1=0.1543 ,C2=16.3490 0.9816 sine Ca=-1.9302 ,C4=-3.5132 1.0 Paria C=1.5845X10-16 ,m=9.0005 0.8026 Polynomial &0=-1496.03 ,81=3406.88 0.9750 0.6 M8=一2595.85 ,as-660.03 Hyporbolic C1=0.1170 ,Cg=32.3512 0.9724 sine C。=-1.3110 ,C4=-3.9465 Paris C=1.4538X10-49 ，m=21.2920 0.9250 NOTE: (1)Paris formula: da/dN=C(△K)m (forR中1) (2)Paris formula:da/dt-C/Kmx (for R=1) (3)Polynomial formula:Ig(da/dN)=8o+a1lgAK--a:(IgAK)3+a (1gAK)8 (4)Hyperbolic formula:Ig(da/dN)=Cisinh(C:(IgAK-+Ca))+C 如图2所示，R是影响裂纹扩张速率da/dN的一个重要因素。其一，随R值增加， 应力循环不对称程度增大，曲线移向da/dN及△K减小的一侧，也就是说，达到同一裂 47

哑 一 ， 一 么 一 。 一 一 一 ， ， 一 一 一 一 。 。 一 ， 一 。 ， 。 日 一 ， ， 一 一 一 。 一 ， 一 一 一 。 ， ， 一 一 名 一 口 一 一 ， 一 。 ， ， 一 一 一 。 一 一 ’ 币 一 。 。 一 一 。 。 。 。 。 一 一 ， 。 ， 一 一 。 ， 一 ‘ ， ， 皿 吞 ， 盘二 沪 了 ‘ 。 △ 盛 “ △ 口 ‘ 。 ‘ 。 ‘ 、夕、声声、 曰，任九 声、 ‘ ‘、子、声、矛 如 图 所示 ， 是 影响裂纹扩张速率 的 一个重 要 因素 。 其一 ， 随 值 增 加 ， 应 力 循 环 不对称程度 增大 ， 曲线移 向 及△ 减小 的一侧 ， 也就是 说 ， 达到 同一裂

纹扩展速率时的△K随R的增加而减小。其二，曲线出现“弯折”时所对应的da/dN值 随R值的增加而减小。 如图3所示，裂纹扩展速率da/dN随频率f的降低而稍有增加，当R由-1增加到 0.6时，f的这种影响作用更为明显；另外频率f也与应力比R一样，对da/dN-△K曲线 的弯折产生影响。 102 102 650"℃+ (a) t5-1.0 (b) 650℃ R=0.5, 0=-…e0.5Hz g---f=1,0Hz 8:6 NPNP 10 10 a]B.1 10° ·1l 10 10 102 10 10: 102 103 Stress intensity factor range Stress intensity factor renge △K,*9.807N/anm3/ AK.x9.807 N/mm3/ 图3频率对疲劳一蠕变裂纹扩展的影响 Fig.3 Effect of frequency on fatigue-creep-cracks propagation. 2.2由Kmax~da/dN表示的裂纹扩展速率曲线 由于应力比R与平均应力om对裂纹扩展速率da/dN具有不同的影响，图2表明，提 高R值使整个扩展过程的da/dN有所降低，相应的△K也随着减小，因此，这种变化并 不能直观地反映R、gm、da/dN及断裂寿命N:之间的关系。 据疲劳蠕变交互作用断裂特征图(4)，在疲劳F区，相同omax时断裂寿命N:随R提高 而延长。在da/dN-△K中，表现出提高R可能增加同△K水平的裂纹扩展速率的趋势。 显然在裂纹扩展占据大部分材料寿命的疲劳区，da/dN的这种变化与实际过程断裂规律 的不对应性表明了存在交互作用时，裂纹扩展过程的控制因素的变化。仅用△K已不能 确切地描述存在蠕变应力时的裂纹扩展过程。考虑到疲劳、蠕变及应力交互作用的不同 影响，作出裂纹扩展速率da/dN与最大应力强度因子Kmax的关系曲线图（图4）。 与da/dN-曲线（图2）相比较、此图存在下述特点： ①da/dN~Kmax与da/dN~△K曲线具有完全相同的形状。 ②随R值增加，曲线移向da/dN减小的一侧，表示da/dN随R值增加而降低。 ③在da/dN~Kmax图上可同时表示疲劳蠕变及交互作用条件下裂纹扩展速率的变 化。 ④可以设想，当omax恒定时，da/dN~Kmax曲线就是da/dN~a曲线，可对同样裂 纹长度a下的da/dN值进行比较。能更直观地反映R,da/dN及N,之间的关系。 48

纹 扩展速率时的△ 随 的增加而减小 。 其二 ， 曲线出现 “ 弯折” 时所对应的 值 随 值的增加而 减小 。 如图 所示 ， 裂纹 扩展速率 随频率 的降低而稍 有增加 ， 当 由 一 增 加 到 时 ， 的这种影响作用更 为 明显 另外频率 也与应力 比 一样 ， 对 一 △ 曲 线 的弯折产生影响 。 省 任 么‘ 之三汉口。﹄加仍门岛。﹄己 ， 、 吵 。 、 往 “ 二 一 一 二 · 夕兰 一 双二 。 蔺 压 一 二 一 下 二 ‘ 么 …… 工八‘ 工之艺妙八﹄浏加︺。﹄如川。侧。﹄ 一 △ ， 火 劝 晋 咬 「 弓 【飞 八 丈 · ” 寻 哪 艰 图 频率对疲劳 一蠕变裂纹扩展的影响 一 一 由 、 一 表示的裂纹扩 展速率曲线 由于应力 比 与平均应力 。 对裂纹扩展 速率 具 有不 同的影响 ， 图 表 明 ， 提 高 值使整个扩展 过程的 有所降低 ， 相应 的 △ 也 随着减小 ， 因此 ， 这种 变 化 并 不 能直 观地反映 、 、 及断裂寿命 之 间的关 系 。 据疲 劳蠕 变交互作 用断裂特征图〔 〕 ， 在 疲 劳 区 ， 相 同 时 断裂寿命 ，随 提高 而延长 。 在 一 △ 中 ， 表现 出提高 可 能增加 同△ 水平 的裂纹 扩展 速率的趋势 。 显然在裂纹 扩展 占据大部分材料寿命的疲 劳区 ， 的这 种 变化与实际过程 断裂规律 的不 对应性表 明 了存在 交 互作 用 时 ， 裂纹 扩展过 程的控制 因素 的 变化 。 仅用 △ 己不 能 确切地描述弃在蠕 变应力 时 的裂纹 扩展过程 。 考 虑到 疲 劳 、 蠕 变及应力交互作 用 的不 同 影响 ， 作 出裂纹 扩展速率 与最大 应 力强度 因子 的关 系 曲线图 图 。 与 一 曲线 图 相 比较 、 此 图存在下述特点 ① 一 与 一 △ 曲线具 有完全相 同的形状 。 ②随 值增加 ， 曲线移 向 减小 的一 侧 ， 表示 随 值增加而 降低 。 ③在 图 上 可 同时表示 疲劳蠕变及交 互作用 条件下 裂纹 扩展 速率 的 变 化 。 ④可以设想 ， 当 。 恒定 时 ， 曲线就是 曲线 ， 可对 同样 裂 纹 长度 下 的 值进行 比 较 。 能更直观地反 映 ， 及 ，乏间的关系