鎳基高溫合金GH4169超聲疲勞行為研究.pdf

1、鎳基高溫合金被廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片、渦輪盤等關(guān)鍵零部件，這些零部件具有相當(dāng)高的運(yùn)行速度，其服役期內(nèi)需承受的循環(huán)載荷次數(shù)甚至超過(guò)109。因此，研究鎳基合金超過(guò)107循環(huán)周次壽命范圍的疲勞性能和疲勞損傷機(jī)理，對(duì)提高相關(guān)零部件的可靠性和精確性、延長(zhǎng)零部件服役壽命、完善疲勞斷裂相關(guān)理論、創(chuàng)建零部件結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)模型都具有非常重要的意義。
　　本文針對(duì)固溶態(tài)高溫鎳基合金GH4169材料，對(duì)其實(shí)施了超聲疲勞試驗(yàn)。獲得了其在105-

2、108壽命范圍內(nèi)的S-N曲線，并用SEM掃描電鏡觀察了疲勞斷口的宏觀和微觀形貌特征。
　　根據(jù)超聲疲勞試驗(yàn)原理，采用解析法計(jì)算得到了狗骨形超聲疲勞試樣尺寸的公式，設(shè)計(jì)出了本試驗(yàn)用的狗骨形超聲疲勞試樣的尺寸。并利用ANSYS/Workbench軟件對(duì)設(shè)計(jì)的超聲疲勞試樣進(jìn)行了模態(tài)分析，得到試樣的固有頻率可以達(dá)到20.088kHz，與試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)諧振頻率誤差僅為0.44％，滿足試驗(yàn)要求。采用有限元方法對(duì)試樣中間危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力情況進(jìn)行分析

3、發(fā)現(xiàn)，其中間截面應(yīng)力分布并不均勻，從試樣內(nèi)部到表面，應(yīng)力值逐漸增大，表面處存在最大應(yīng)力，即存在應(yīng)力集中情況，經(jīng)過(guò)膜應(yīng)力方法計(jì)算得到應(yīng)力集中系數(shù)為1.038。對(duì)鎳基合金GH4169進(jìn)行了金相試驗(yàn)，其金相組織圖中可以看到較為明顯的孿晶。根據(jù)狗骨形超聲疲勞試樣機(jī)械打磨拋光的特殊性，專門設(shè)計(jì)了一套打磨拋光輔助裝置。
　　試驗(yàn)得到的S-N曲線為持續(xù)下降型，采用Basquin公式對(duì)其進(jìn)行了擬合。并發(fā)現(xiàn)：在超過(guò)107循環(huán)壽命后試樣仍會(huì)發(fā)生疲勞破

4、壞，沒(méi)有出現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的疲勞極限；疲勞裂紋的萌生位置并未隨著S-N的下降呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性：在較大加載應(yīng)力的低壽命區(qū)依然會(huì)出現(xiàn)裂紋在試樣內(nèi)部萌生的現(xiàn)象，而在較小加載應(yīng)力的高壽命區(qū)疲勞裂紋也會(huì)選擇在試樣表面萌生。從整體看來(lái)，疲勞裂紋優(yōu)先萌生于試樣的表面。
　　通過(guò)對(duì)疲勞斷口的電鏡掃描的分析發(fā)現(xiàn)，裂紋在試樣表面萌生的斷口根據(jù)形貌特征的不同可以分為三個(gè)區(qū)域，這幾個(gè)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)著疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的不同階段。疲勞裂紋萌生于試樣內(nèi)部的皆是由

5、其內(nèi)部非金屬夾雜引起，沒(méi)有觀察到其他高強(qiáng)度鋼材中常見(jiàn)的“魚眼”形貌特征，在裂紋源處較明顯的小平臺(tái)形貌以及由塑性破壞造成的疲勞輝紋。
　　對(duì)于在超長(zhǎng)壽命區(qū)依然會(huì)出現(xiàn)裂紋萌生于試樣表面的現(xiàn)象，結(jié)合Mughrabi模型發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣失效形變積累臨界值一定時(shí)，隨著加載應(yīng)力幅值的降低，試樣發(fā)生疲勞破壞需要更長(zhǎng)的循環(huán)周次，因此，當(dāng)循環(huán)加載次數(shù)足夠大，疲勞裂紋就有可能在試樣表面萌生。對(duì)于疲勞裂紋萌生于試樣內(nèi)部缺陷處的情況，利用“點(diǎn)缺陷富集”的觀點(diǎn)來(lái)