高周振動(dòng)應(yīng)力對(duì)fg95合金低周疲勞壽命的影響

f850合金是一種具有優(yōu)良耐酸性的國(guó)家二級(jí)氧化精煉金屬粉末，對(duì)應(yīng)于美國(guó)rena5的95粉末。與同類鑄、鍛高溫合金相比,該合金組織均勻、晶粒細(xì)小、屈服強(qiáng)度高、疲勞性能好,是制造高性能發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)、環(huán)形件及其他熱端部件的關(guān)鍵材料。目前,該合金已成功用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)載荷譜數(shù)量眾多,很難對(duì)盤(pán)件材料進(jìn)行全載荷譜狀態(tài)下的試驗(yàn)研究,因而,研究盤(pán)件材料在適當(dāng)簡(jiǎn)化載荷譜下的行為就成了一種很好的研究盤(pán)件材料性能的方法。DUGGAN首先發(fā)表了對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)載荷譜的簡(jiǎn)化假定:航空發(fā)動(dòng)機(jī)的起飛-巡航-著陸過(guò)程可簡(jiǎn)化為梯形波形式,即飛機(jī)起飛時(shí)載荷從零增加到最大,巡航時(shí)載荷保持最大,著陸時(shí)載荷由最大值降到零。在此過(guò)程中,渦輪盤(pán)也經(jīng)歷了離心力和熱應(yīng)力的簡(jiǎn)化梯形波作用;另外,在巡航期間,渦輪盤(pán)的局部高應(yīng)力區(qū)可能發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛,還受到燃?xì)鈩?dòng)力和系統(tǒng)振動(dòng)等引起的高頻小幅值振動(dòng)應(yīng)力的作用,亦即在巡航保載期間的渦輪盤(pán)上還有一個(gè)小幅值振動(dòng)載荷的疊加作用。所以,渦輪盤(pán)的載荷譜可簡(jiǎn)化為低周疲勞應(yīng)力與高周振動(dòng)應(yīng)力的復(fù)合作用。在這種簡(jiǎn)化載荷譜下進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)較恒幅單因素疲勞試驗(yàn)更接近構(gòu)件的實(shí)際工況,侯貴倉(cāng)等即用高、低周復(fù)合疲勞壽命試驗(yàn)再現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤(pán)和榫齒故障。斷口微觀形貌分析和位錯(cuò)結(jié)構(gòu)分析表明:在這種簡(jiǎn)化載荷譜下,構(gòu)件材料的疲勞試驗(yàn)斷口形貌較單因素恒幅疲勞試驗(yàn)斷口形貌更加接近構(gòu)件在外場(chǎng)使用或研制試車(chē)時(shí)產(chǎn)生的斷口形貌。疊加在低周疲勞過(guò)程中的高周循環(huán)應(yīng)力會(huì)影響材料的疲勞壽命,特別是當(dāng)這種高周循環(huán)應(yīng)力超過(guò)一定值后將明顯加速疲勞裂紋的擴(kuò)展,因而,在評(píng)定承受低周循環(huán)和高周循環(huán)復(fù)合載荷作用的疲勞裂紋形成壽命和擴(kuò)展壽命時(shí),要考慮高周循環(huán)的作用。目前,對(duì)FGH95合金低周疲勞及熱機(jī)械疲勞行為已開(kāi)展了許多研究,但對(duì)其高、低周復(fù)合疲勞行為的研究卻少見(jiàn)報(bào)道?；诖?本文作者進(jìn)行了渦輪盤(pán)用FGH95合金的高、低周復(fù)合疲勞行為研究,著重討論低周梯形波應(yīng)力保載期間疊加的高周振動(dòng)應(yīng)力對(duì)該材料低周疲勞壽命的影響及其裂紋形貌特征。1低周主應(yīng)力和高周正弦波FGH95合金的高低周復(fù)合疲勞和低周疲勞試驗(yàn)在MTS810試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣取自于直接熱等靜壓FGH95盤(pán)形件的弦向位置。試樣形狀及尺寸如圖1所示。試驗(yàn)溫度為600℃,試驗(yàn)波形是低周梯形波和高周正弦波及其疊加,見(jiàn)圖2(a)、(b)、(c)。低周主應(yīng)力范圍是-1150~1150MPa,疊加的高周循環(huán)應(yīng)力分別為低周循環(huán)應(yīng)力的0、5%、10%和15%;定義高低周循環(huán)應(yīng)力的振幅比為m=?σmin/?σmaj,其中,?σmaj為高周應(yīng)力變幅,?σmin低周應(yīng)力變幅。梯形波的峰值保載時(shí)間為12s,低周梯形波的頻率為0.056Hz,高周正弦波的頻率是6Hz。結(jié)合斷口形貌的宏觀分析,采用OlympusSZ61體視顯微鏡和Quanta600型掃描電子顯微鏡分析各試樣疲勞源區(qū)及不同裂紋擴(kuò)展階段的顯微形貌特征,并采用IE350能譜儀分析斷口上的夾雜物成分。2結(jié)果和分析2.1低循環(huán)周次的變化FGH95合金高低周復(fù)合疲勞試驗(yàn)結(jié)果列于表1。各試樣低循環(huán)周次與振幅比的變化關(guān)系如圖3所示。由表1和圖3可知,疊加了高循環(huán)應(yīng)力的試樣的低循環(huán)周次明顯低于未疊加高循環(huán)應(yīng)力的試樣的低循環(huán)周次。相對(duì)于m=0試樣的低循環(huán)周次,m=15%試樣的低循環(huán)周次降低幅度最大;m=5%試樣的低循環(huán)周次減小的幅度次之;m=10%試樣的低循環(huán)周次減小的程度最小。m=10%試樣的低循環(huán)周次較m=5%試樣的低循環(huán)周次多,出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是m=5%試樣中存在的原始夾雜缺陷(夾雜見(jiàn)圖5(b))誘發(fā)其過(guò)早斷裂。整體來(lái)看,隨著高低周循環(huán)應(yīng)力振幅比增大,低循環(huán)周次逐漸減小。2.2低倍sem斷口形貌各試樣斷口的宏觀觀察結(jié)果表明,所有斷口均由平坦斷面和傾斜斷面組成,斷口邊緣局部區(qū)域呈藍(lán)色。對(duì)于平坦斷面的大小,高低周循環(huán)應(yīng)力振幅比m=0的試樣最大,m=15%試樣次之,m=10%試樣排第三位,m=5%試樣最小。斷口邊緣的藍(lán)色區(qū)域是疲勞裂紋萌生后試樣開(kāi)裂部分在600℃下發(fā)生氧化所致。在體視顯微鏡下分析該藍(lán)色區(qū)域,就其所呈現(xiàn)的藍(lán)色程度而言,m=0試樣最深,m=10%試樣次之,m=5%試樣排第三位,m=15%試樣最淺,即隨低循環(huán)周次減小,藍(lán)色程度減弱。測(cè)得藍(lán)色區(qū)域的面積:m=0試樣為105715μm2(主源附近區(qū)域),m=5%試樣為66600μm2,m=10%試樣為43730μm2,m=15%試樣為19055μm2。可見(jiàn)藍(lán)色區(qū)域面積隨m增大而減小,這表明m值增大使得疲勞裂紋萌生區(qū)域減小,擴(kuò)展速度加快。在體視顯微鏡下觀察,各試樣斷口均粗糙,可見(jiàn)明顯的反光面。各試樣的低倍SEM斷口形貌如圖4所示?？梢?jiàn)各試樣的疲勞源都位于試樣表面,呈多源疲勞斷裂特征,斷口表面可見(jiàn)凹坑及發(fā)散棱線形貌。隨m值增大,疲勞源位置減少。這表明在較高m值下,試樣表面或表層缺陷(如機(jī)加工帶來(lái)的表面缺陷和夾雜、孔隙等結(jié)構(gòu)缺陷)會(huì)加速疲勞裂紋在缺陷區(qū)的形成和擴(kuò)展,從而減少疲勞源在其他部位出現(xiàn)的機(jī)會(huì)。疲勞源區(qū)及疲勞條帶特征區(qū)的SEM形貌如圖5所示。相對(duì)整個(gè)疲勞斷口而言,各試樣的疲勞源及疲勞條帶特征區(qū)面積均較小,疲勞源及疲勞條帶特征區(qū)的典型形貌見(jiàn)圖5(a)、(b)的點(diǎn)畫(huà)線以內(nèi)的區(qū)域。其中,高低周循環(huán)應(yīng)力振幅比m=5%的試樣疲勞源區(qū)存在大小為305.32μm2,組成為Al2O3、MgO的夾雜,夾雜形貌見(jiàn)圖5(b)中箭頭指向的位置;m=5%和m=0試樣的疲勞條帶特征區(qū)均存在二次裂紋,在二次裂紋的數(shù)量和大小方面,m=5%試樣多于和大于m=0試樣,見(jiàn)圖5(c)、(d)。二次裂紋是由于疲勞裂紋擴(kuò)張的不連續(xù)性和突發(fā)性導(dǎo)致裂紋前端瞬時(shí)應(yīng)力過(guò)大而形成的。裂紋前端瞬時(shí)應(yīng)力越大、出現(xiàn)的次數(shù)越多,二次裂紋就越大,裂紋數(shù)量也越多。各試樣疲勞條帶特征區(qū)域之后的裂紋前部區(qū)域SEM形貌如圖6所示。從圖6看出:m=15%試樣的斷口形貌表現(xiàn)為以類解理小平面為主,類解理小平面周邊分布著少量的韌窩特征:m=10%試樣的斷口形貌表現(xiàn)為也以類解理小平面為主,類解理小平面周邊局部小區(qū)域分布著少量韌窩的特征(見(jiàn)圖6);m=5%和m=0試樣的斷口形貌則表現(xiàn)為由類解理小平面構(gòu)成的臺(tái)階特征。m=15%和m=10%試樣裂紋前部區(qū)域出現(xiàn)韌窩特征的原因是疊加了較高的高周振動(dòng)應(yīng)力。類解理小平面臺(tái)階是疲勞裂紋擴(kuò)展的結(jié)果,而韌窩特征則是裂紋面的非連續(xù)區(qū)(橋連區(qū))發(fā)生塑性變形所致。各試樣裂紋中部區(qū)域SEM形貌如圖7所示。在裂紋的中部,m=15%試樣斷口上的韌窩數(shù)量明顯較前一階段增多且在一些小平面上也開(kāi)始出現(xiàn)韌窩,見(jiàn)圖7(a)。m=10%、m=5%及m=0試樣的斷口形貌則明顯地表現(xiàn)為類解理小平面及分布在類解理小平面間的韌窩特征,見(jiàn)圖7(b)、(c)、(d)。表明在裂紋的中部,各試樣的裂紋前段都出現(xiàn)了不同程度的塑性變形。圖8所示為試樣裂紋后部的SEM形貌。拉伸的韌窩成為各試樣斷口形貌的主要特征,典型形貌見(jiàn)圖8(a)。在m=10%的試樣斷口局部區(qū)域出現(xiàn)沿粉末顆粒開(kāi)裂的形貌特征,見(jiàn)圖8(b)。在m=0試樣斷口上出現(xiàn)由韌窩、小平面及臺(tái)階組成的與650℃下FGH95合金持久試驗(yàn)斷口瞬斷區(qū)的微觀形貌相似的特征,見(jiàn)圖8(c)。疲勞裂紋后期的快速拉伸斷裂類似于含缺口試樣的沖擊斷裂,持久斷裂則是慢速斷裂,主要以晶界斷裂為主;而FGH95合金疲勞裂紋后部斷口形貌卻具有與其持久試驗(yàn)斷口瞬斷區(qū)形貌的相似性,這反映了粉末燒結(jié)材料普遍存在的一個(gè)問(wèn)題:顆粒間燒結(jié)結(jié)合溫度較低。3高周振動(dòng)幅度的影響1)在低周梯形波保載期間疊加高周振動(dòng)之后,FGH95合金的低周疲勞壽命明顯降低。疊加的高周振幅越大,其低周疲勞壽命降低程度越大。2)斷口由平坦斷面和傾斜斷面組成。疊加高周振動(dòng)后,斷口平坦斷面面積減小,且隨著疊加高周振動(dòng)幅度增大而增加。隨著疊加高周振動(dòng)幅度的增大,斷口邊緣藍(lán)色區(qū)域的面積減小,藍(lán)色程度也隨之減弱。斷口表面粗糙,有明顯的反光小平面。3)各試樣均為表面多源疲勞斷裂,疊加的高周振動(dòng)使