GH4169合金自然萌生小裂纹扩展行为的试验研究.pdf

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1、GH4169合金自然萌生小裂纹扩展行为的试验研究刘文杰原栋肖哲(西安航天源动力工程有限公司，陕西西安710100)摘要：通过对单边缺口拉伸(sENT)试样进行实验可以更进一步了解和掌握镍基GH4169合金自然萌生小裂纹扩展行为表现，且将实验中的应力比设、为o．1、o．5。结合实验分析发现，长裂纹近门槛附近位置，小裂纹效应较为明显．该疲劳小裂纹扩展寿命对全寿命影响较大。在对试样断口表面进行观察的过程中，发现，疲劳小裂纹主要是由合金中夹杂引起的，同时以半圆形的方式逐渐向合金内部侵袭。关键词：GH4169合金；小裂纹；扩展行为；试验研究材料和试验1材料试验材料

2、为镍基GH4169高温合金，且该合金是通过直接时效热处理工艺进行处理的，微观结构图如图1所示。晶粒大小在15恤m左右，但是部分晶粒大小可高达50斗m。所使用的合金材料中有两种不同类型的夹杂，其中颜色深、呈方形、大小范围在5—30微米的是Ti(C，N)，另外一种颜色浅的为Nb(C，N)。常温情况下，材料的力学性能：屈服强度为1390MPa，抗拉强度为1530MPa．图1镍基微观结构2试验内容在本次小裂纹扩展行为研究试验中，设定恒定的载荷值，应力比分别设定为0．1和0．5，且同一种试验条件下需要进行三次重复试验，以保证试验结果的准确性。另外本次试验中使用的仪

3、器为MTs液压伺服疲劳试验机，温度条件为室温，试验频率设定为10赫兹，所选用加载波形为正弦波。3试验结果与讨论3．1小裂纹扩展行为在后续的讨论过程中主要以引起试样断裂的主裂纹为研究对象。经研究发现，试样疲劳小裂纹是由材料夹杂出开始的，且夹杂尺寸较小，数量级在微米。在疲劳小裂纹开始阶段，裂纹扩展路径如图2中的a所示，而小裂纹后期如图2中b所示，通过对图2b的观察发现，在疲劳后期，裂纹路径表现较为平直。另外过程中主要是通过覆膜法来进行裂纹扩展观察的。经对试验研究分析发现，合金中小裂纹扩展速度变化范围比较大，且呈现出较高的分散性，特别是在裂纹较小的区域内，这种

4、现象尤为突出。但是裂纹长度增加的同时分散性也在逐渐降低，并最终趋于稳定。首先，在合金萌生小裂纹扩展初始阶段，扩展速率变化较大，经分析研究认为，该现象出现是受扩展过程中突遇晶界等影响而导致的裂纹扩展停滞。(a)N=8×104图23．2端口形貌分析GH4169合金在试验过程中萌生的小裂纹都存在转变长度，且与该转变长度相对应的是裂纹扩展速率其中的一个最低点。若小裂纹扩展过程中大于该裂纹的转变长度，那么之后裂纹的扩展速率增加十分的明显，直到最终的试样断裂。而为了更加全面的了解这一试验现象发生的原因，下面将对试验的端口形貌进行深入的分析。合金试样试验过程中小裂纹扩

5、展是由材料夹杂开始的，在初期阶段，端口形貌主要大量的小平面为主，且这一阶段裂纹的扩展速率也比较慢，一旦裂纹扩展到某一长度值后，断口处的形貌就会发生明显的变化，由混乱的小平面向较为平台的断口平面转变。经使用设备观察发现，该阶段小平面内出现河流花样，周围有锯齿状的台阶。3．3小裂纹形状确定合金试样通过试验得出了不同裂纹长度下断口形貌特点。首先，受到镍基GH4169合金强度性能强的特点，在疲劳扩展小裂纹较小的情况下，在静力拉伸作用喜爱，裂纹的情况可能会发生微弱的变形，但是通过观察仍旧可以看出形状近似于半圆形。而在小裂纹较大的情况下，其形状则更加趋向于规则的半圆

6、形。3．4小裂纹扩展模式在本次试验条件下，合金小裂纹扩展模式为：恒幅载荷条件下，试样夹杂处在试验早期就形成了微裂纹，随着试验的继续进行微裂纹逐渐扩展的基体，且这一过程中滑移平面的未向也随着晶粒取向的变化而发生变化，引起裂纹路径的倾斜或者是扭曲，使得裂纹端口表面呈现出大量的小平面。而当裂纹长度达到转变长度值后，扩展模式发生改变，裂纹尖端位置的塑性区变大，在这种情况下裂纹扩展是以2个滑移系统同时或者是交替进行扩展的，疲劳条带越来越清晰，速率越来越快，断口出表面趋于平坦，直到发生断裂。4结谙综上所述，在恒幅载荷作用下，镍基GH4169合金在室温条件下自然萌生小

7、裂纹扩展有材料夹杂开始，并以半圆形的形式逐渐向基体扩展，且小裂纹扩展寿命所占全寿命的比重较大，同时合金在试验过程中，其断裂模式也发生了一定的改变，由晶体学小平面向疲劳条带断裂转变。2017年01月化毒虿群i17