高溫合金耐高溫性能熱處理

GH3044合金是一種固溶強(qiáng)化的裸基抗氧化合金，在900T以下具有較高的塑性和適中的熱強(qiáng)度，抗氧化性能優(yōu)異。適合制造900%:以下航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室、加力燃燒室零件長(zhǎng)期。在實(shí)際服役條件下，由于長(zhǎng)期高溫和復(fù)雜交變載荷的作用，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端零件經(jīng)常發(fā)生高應(yīng)力(應(yīng)變)水平的低周疲勞損傷。因此，高溫下應(yīng)變和疲勞造成的損傷成為影響此類部件使用壽命的一個(gè)不可忽視的因素。對(duì)GH3044合金在600 D應(yīng)變控制模式下的低周疲勞性能進(jìn)行了分析和測(cè)試，研究了其循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)行為、應(yīng)變壽命關(guān)系等。被研究過(guò)介紹了該合金在應(yīng)變控制下疲勞變形和損傷的一般規(guī)律，并利用各種模型預(yù)測(cè)了該合金的疲勞壽命，可為該合金的成分設(shè)計(jì)、壽命確定和壽命延長(zhǎng)提供參考。

試驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)材料為GH3044棒材，其密度為8。89×10 ×,采用電弧爐和真空自耗再溶解工藝熔煉kg/m3o合金，軋制成直徑為18mm×1000mm的棒材。固溶(H40°C，保溫1h，空冷)后，按照?qǐng)D1加工成低周疲勞試樣進(jìn)行試驗(yàn)。合金的化學(xué)成分如表 

檢測(cè)方法 低周疲勞試驗(yàn)在島津EHF-EA10電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)采用軸向全應(yīng)變控制。引伸計(jì)的標(biāo)距為12mm，標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變通過(guò)引伸計(jì)與樣品表面通過(guò)應(yīng)時(shí)刀口接觸來(lái)測(cè)量。加載波形為總角波，應(yīng)變比(最小應(yīng)變與最大應(yīng)變之比)為-1，試驗(yàn)溫度為600t·t，試樣由爐內(nèi)電阻絲加熱，溫度波動(dòng)由分布在標(biāo)距附近的熱電偶控制，溫度波動(dòng)控制在2以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集由計(jì)算機(jī)完成，每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到樣品斷裂。鋼絞線試驗(yàn)方法參照GB/T 15248- 2008《金屬材料軸向等幅低周試驗(yàn)方法》的規(guī)定。超聲波清洗后，用JSM 5600LV掃描電鏡觀察斷裂試樣。 

循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變行為 材料的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變性能反映了材料在低周疲勞下的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變特性。循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以用應(yīng)力幅和塑性應(yīng)變幅(3)來(lái)表示，即公式(1): 

高溫合金耐高溫性能熱處理其中A//2為循環(huán)應(yīng)力幅，優(yōu)，/2為循環(huán)塑性應(yīng)變幅，<為循環(huán)硬化指數(shù)，top為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)。圖2顯示了GH3044合金在600℃下的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，圖中的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都是從半衰期(N/2)時(shí)的循環(huán)磁滯回線獲得的。根據(jù)公式(1 ),可以通過(guò)使用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析來(lái)獲得/和k’的值，如表2所示。圖中實(shí)線是擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的近似曲線。

循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為 在低周疲勞性能試驗(yàn)中，對(duì)于每個(gè)給定的總應(yīng)變幅值，記錄應(yīng)力值隨循環(huán)次數(shù)的變化。應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化(即材料的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線)宏觀上反映了合金在不同溫度和其他實(shí)驗(yàn)條件下的應(yīng)變硬化/軟化行為，是材料微觀結(jié)構(gòu)變化的宏觀表現(xiàn)。圖3顯示了GH3044合金在600噸下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線。從圖3可以看出，在不同的外加總應(yīng)變幅下，GH3044合金600始終表現(xiàn)出循環(huán)硬化現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谄谘h(huán)變形過(guò)程中，位錯(cuò)之間以及位錯(cuò)與析出物之間的相互作用會(huì)強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致位錯(cuò)堵塞。因此，必須增加外加載荷以保持應(yīng)變不變，這將導(dǎo)致循環(huán)應(yīng)力的增加，即循環(huán)硬化(1)；圖中還有一個(gè)重音的突降。這種驟降是由于材料在反復(fù)循環(huán)變形后的疲勞損傷，導(dǎo)致裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。

Manson-Coffin方程 目前，國(guó)內(nèi)材料數(shù)據(jù)手冊(cè)中采用Manson-Coffin方程來(lái)處理低周疲勞。對(duì)于總應(yīng)變控制的低周疲勞試驗(yàn)，總應(yīng)變幅由兩部分(3)組成:巖溶應(yīng)變幅和彈性應(yīng)變幅，即: 

它們是彈性應(yīng)變幅、塑性應(yīng)變幅和總應(yīng)變幅。對(duì)于沒有穩(wěn)定遲滯回線的材料，塑性應(yīng)變幅值和彈性應(yīng)變幅值通常由半衰期的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線得到。此外，它們與疲勞壽命有以下關(guān)系: 

其中，er '是疲勞強(qiáng)度系數(shù)，即疲勞延展性系數(shù)，2是斷裂時(shí)載荷的倒數(shù)，6是疲勞強(qiáng)度指數(shù)，C是疲勞延展性指數(shù)，E是彈性模量MPa。為了更實(shí)際地反映低周疲勞特性，循環(huán)條件下的動(dòng)態(tài)彈性模量作為實(shí)際運(yùn)行中的彈性模量。總應(yīng)變幅值和材料低周疲勞壽命之間的關(guān)系可表示如下: 

循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為 在低周疲勞性能試驗(yàn)中，對(duì)于每個(gè)給定的總應(yīng)變幅值，記錄應(yīng)力值隨循環(huán)次數(shù)的變化。應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化(即材料的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線)宏觀上反映了合金在不同溫度和其他實(shí)驗(yàn)條件下的應(yīng)變硬化/軟化行為，是材料微觀結(jié)構(gòu)變化的宏觀表現(xiàn)。圖3顯示了GH3044合金在600噸下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線。從圖3可以看出，在不同的外加總應(yīng)變幅下，GH3044合金600始終表現(xiàn)出循環(huán)硬化現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谄谘h(huán)變形過(guò)程中，位錯(cuò)之間以及位錯(cuò)與析出物之間的相互作用會(huì)強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致位錯(cuò)堵塞。因此，必須增加外加載荷以保持應(yīng)變不變，這將導(dǎo)致循環(huán)應(yīng)力的增加，即循環(huán)硬化。圖中還有一個(gè)重音的突降。這種驟降是由于材料在反復(fù)循環(huán)變形后的疲勞損傷，導(dǎo)致裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。

5低周疲勞斷口形貌 觀察了GH3044和600Y的低周疲勞斷口形貌。當(dāng)應(yīng)變幅較大時(shí)，斷口的疲勞區(qū)較小，斷口的疲勞區(qū)所占比例較大。疲勞斷裂有三個(gè)區(qū)域，即疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)。畫圖7和圖8分別顯示了GH3044合金600 dragon的高應(yīng)變振幅。 (△旦尼爾/2 = 0。8%，這里= 570)和低應(yīng)變幅(優(yōu)/2 = 0.3%，稱為=13215)。從圖中可以看出，在不同的應(yīng)變幅下，疲勞裂紋都是沿試樣表面起始的，但在高應(yīng)變幅下，疲勞裂紋是沿試樣表面多點(diǎn)起始的(見圖7a)，在源區(qū)附近可以看到明顯的徑向脊?fàn)钚蚊?；然而，在低?yīng)變幅下，疲勞斷裂源于試樣表面，是一個(gè)點(diǎn)源(見圖8a)。在不同的應(yīng)變幅下，在膨脹區(qū)可以看到明顯的疲勞帶和二次裂紋(見圖7b和圖8b)，瞬時(shí)斷裂區(qū)以韌窩斷裂為特征，但韌窩較淺，有劃痕(見圖7c和圖8c）。

結(jié)論

(1）GH3044合金在600Y時(shí)在不同應(yīng)變振幅下表現(xiàn)出循環(huán)硬化； (2) Manson- Coffin方程、三參數(shù)μ函數(shù)方程和拉伸滯回能量模型(。Stergren)對(duì)GH3044合金600的壽命預(yù)測(cè)精度基本在彌散帶的2倍以內(nèi)，但拉伸滯后能量模型在標(biāo)準(zhǔn)差和彌散帶方面的壽命預(yù)測(cè)精度優(yōu)于Manson-Coffin方程和三參數(shù)簾函數(shù)公式。 (3)疲勞裂紋均起源于試樣表面，但在高應(yīng)變幅下表現(xiàn)為多源特征，在低應(yīng)變幅下表現(xiàn)為單源特征。