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用于制造航空發(fā)動機的渦輪葉片、渦輪盤等關鍵零部件，這些零部件具有相當高的運行速度，其服役期內(nèi)需承受的循環(huán)載荷次數(shù)甚至超過109。因此，研究鎳基合金超過107循環(huán)周次壽命范圍的疲勞性能和疲勞損傷機理，對提高相關零部件的可靠性和精確性、延長零部件服役壽命、完善疲勞斷裂相關理論、創(chuàng)建零部件結(jié)構(gòu)壽命預測模型都具有非常重要的意義。
　　本文針對固溶態(tài)高溫鎳基合金GH4169材料，對其實施了超聲疲勞試驗。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)超聲疲勞試驗原理，采用解析法計算得到了狗骨形超聲疲勞試樣尺寸的公式，設計出了本試驗用的狗骨形超聲疲勞試樣的尺寸。并利用ANSYS/Workbench軟件對設計的超聲疲勞試樣進行了模態(tài)分析，得到試樣的固有頻率可以達到20.088kHz，與試驗機系統(tǒng)諧振頻率誤差僅為0.44％，滿足試驗要求。采用有限元方法對試樣中間危險截面處的應力情況進行分析

3、發(fā)現(xiàn)，其中間截面應力分布并不均勻，從試樣內(nèi)部到表面，應力值逐漸增大，表面處存在最大應力，即存在應力集中情況，經(jīng)過膜應力方法計算得到應力集中系數(shù)為1.038。對鎳基合金GH4169進行了金相試驗，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械打磨拋光的特殊性，專門設計了一套打磨拋光輔助裝置。
　　試驗得到的S-N曲線為持續(xù)下降型，采用Basquin公式對其進行了擬合。并發(fā)現(xiàn)：在超過107循環(huán)壽命后試樣仍會發(fā)生疲勞破

4、壞，沒有出現(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：在較大加載應力的低壽命區(qū)依然會出現(xiàn)裂紋在試樣內(nèi)部萌生的現(xiàn)象，而在較小加載應力的高壽命區(qū)疲勞裂紋也會選擇在試樣表面萌生。從整體看來，疲勞裂紋優(yōu)先萌生于試樣的表面。
　　通過對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區(qū)域，這幾個區(qū)域分別對應著疲勞裂紋萌生和擴展的不同階段。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，沒有觀察到其他高強度鋼材中常見的“魚眼”形貌特征，在裂紋源處較明顯的小平臺形貌以及由塑性破壞造成的疲勞輝紋。
　　對于在超長壽命區(qū)依然會出現(xiàn)裂紋萌生于試樣表面的現(xiàn)象，結(jié)合Mughrabi模型發(fā)現(xiàn)當試樣失效形變積累臨界值一定時，隨著加載應力幅值的降低，試樣發(fā)生疲勞破壞需要更長的循環(huán)周次，因此，當循環(huán)加載次數(shù)足夠大，疲勞裂紋就有可能在試樣表面萌生。對于疲勞裂紋萌生于試樣內(nèi)部缺陷處的情況，利用“點缺陷富集”的觀點來