FGH97粉末高温合金的断裂特征_刘德林.pdf

粉末高温合金的断裂特征刘德林，李 影，姜 涛，陶春虎，何玉怀（中航工业北京航空材料研究院，北京 ；中航工业失效分析中心，北京 ；中航（试金石）检测科技有限公司，北京 ）摘要：对 粉末高温合金低周疲劳、高周疲劳和持久断裂特征进行了研究。结果表明：低周疲劳断裂在小应变条件下的裂纹源为单裂纹源，疲劳裂纹稳定扩展第一阶段为类解理小平面特征；在大应变条件下，裂纹源转变为多源，疲劳扩展第一阶段即可见疲劳条带特征；高周疲劳裂纹稳定扩展第一阶段有较大区域的类解理断裂小平面，疲劳扩展第二阶段为疲劳条带特征；持久试验温度为 时，断口为穿晶特征，表现为类解理形貌；在 以上时，其断裂机制为晶内发生单取向和双取向滑移随蠕变进行位错在晶界处塞积，进而引起应力集中，致使裂纹在晶界处萌生并扩展。关键词：粉末高温合金；断裂特征；疲劳；持久断裂；断裂机制中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；引言粉末冶金高温合金具有组织均匀、晶粒细小、耐高温、强度高以及抗疲劳性能好等优点，已成为先进航空发动机涡轮盘、档环等部件的首选材料。收稿日期：；修订日期：作者简介：刘德林（），男，湖南益阳人，工程师，博士研究生。导师：陶春虎研究员合金是一种新型粉末冶金高温合金，相当于俄罗斯的 合金，具备良好的组织稳定性和综合力学性能，已用于制备航空发动机涡轮盘等重要的热端部件。由于断裂特征保留了工件在整个断裂过程中的所有痕迹，反映了其受力状态、工作温度、环境介质和组织结构等信息，且断裂特征的宏、微观形貌与特定的断裂机理相关，因此，断裂特征分析是研究断裂过程和断裂失效原因的重要方法。对于 第 卷 第 期 年 月机械工程材料 高温合金，人们已对其生产工艺、夹杂物的类别与控制方法以及常规力学性能等进行了较为广泛的研究，但对该材料的损伤特性与断裂特征研究得还很少。对材料的研究不仅应包括材料的设计、制备工艺、力学行为，还应包括建立起一套材料断裂行为与失效的判据。为此，作者利用扫描电镜对 粉末冶金高温合金的疲劳和持久断裂特征进行了观察与分析，探讨了其在不同条件下的断裂机制。试样制备与试验方法试验用 合金的名义化学成分如表所示。该合金的主要制备工艺流程为真空感应冶炼母合金（）等离子旋转电极制粉（）直接热等静压成形（）。表 高温合金的名义化学成分（质量分数）（）余疲劳试验和持久试验的试样尺寸均参照 制备。低、高周疲劳试验分别在 液压伺服试验机和 型试验机上进行，采用轴向拉伸疲劳方式，试验温度分别为室温，；低周疲劳试验在每个温度下选取两个应变量 ，高周疲劳试验在每个温度下选取两个应力水平 。采用 型试验机进行持久试验，温度分别为 ，每个温度下选取两个加载应力水平。采用 型扫描电镜观察断口形貌；采用 型光学显微镜观察合金的显微组织。试验结果与讨论 疲劳断裂特征 低周疲劳由表可见，在小应变条件（较小时）下，疲劳寿命为 数量级；在大应变条件（较大时）下，疲劳寿命为 数量级。通过对不同温度下 高温合金低周疲劳断口进行观察发现，在小应变条件下，疲劳裂纹源多数为单源，且大部分起源于试样表面或次表面的类解理小平面，如图（），（）所示，个别起源于次表面或内部夹杂物，如图（）所示，夹杂物距表面的距离为 。能谱分析结果表明，夹杂物主要含氧和铝元素，为 夹杂。在大应变条件下，疲劳裂纹源转变为多源特征，且均从表面起源，如图（）所示。疲劳断裂过程可分为裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶段，而疲劳裂纹的稳定扩展又可分为两个阶段。在小应变条件下，疲劳裂纹稳定扩展第表 高温合金的低周疲劳试验结果 试样编号温度应力比 疲劳寿命周次室温 一阶段可见类解理小平面，如图（）所示。疲劳裂纹稳定扩展第一阶段是，裂纹萌生后在交变载荷下沿着滑移带的主滑移面向金属内部伸展，此滑移面的取向大致与正应力成 ，这说明裂纹扩展主要受切应力作用。类解理断裂小平面是镍基高温合金疲劳裂纹稳定扩展第一阶段的典型特征之一。但在大应变条件下，高温合金的疲劳裂纹稳定扩展第一阶段（近源区）即可见疲劳条带，未见类解理小平面，如图（）所示，该特征与 高温合金及其它高温合金的低周疲劳断裂特征明显不同，在大应变条件下，这些合金疲劳扩展的第一阶段均为类解理小平面特征。在两种应变条件下，疲劳裂纹稳定扩展第二阶段均表现为疲劳条带特征，如图（）所示。失稳扩展阶段即瞬断区分为两个区域，前期为粗糙区，呈类解理断裂特征，可见较多的类解理小平面，如图（）所示；后期为剪切唇，表现为剪切韧窝断裂特征，如图（）所示。刘德林，等：粉末高温合金的断裂特征（）瞬断区前期的类解理小平面（）瞬断区后期剪切唇的韧窝特征图 高温合金的低周疲劳断口形貌 ：（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）（）高周疲劳由表可见，高周疲劳试验加载应力为 时，疲劳寿命为 数量级；当加载应力为 时，疲劳寿命为 数量级。在室温下，无论是低应力还是高应力条件，断口疲劳裂纹源多数为单源，如图（）所示，均起源于试样表面，源区呈类解理小平面特征，如图（）所示。在其它温度（，）下，疲劳裂纹均起源于试样内部，在低应力条件下，大多数裂纹均从内部夹杂物处起源，如图（），（）所示，夹杂物距表面的距离为 ；能谱分析结果表明，夹杂物主要含氧、铝和镁元素，为铝和镁的氧化物夹杂；在高应力条件下，裂纹均从次表面或内部点 状物起源，如图（）所示，源区距表面的距离为表 高温合金的高周疲劳试验结果 试样编号温度应力比 疲劳寿命周次 室温 刘德林，等：粉末高温合金的断裂特征 ，源区无缺陷，均呈类解理小平面特征，如图（）所示。在任何温度下，无论源区有无夹杂，在疲劳裂纹稳定扩展的第一阶段都有较大区域的类解理断裂小平面，该区域由于扩展得比较充分，在低倍下也可以观察到，而且该区域比较粗糙，如图（）中箭头所指。疲劳裂纹稳定扩展第二阶段为疲劳条带特征如图（）所示。高温合金的高周疲劳断裂（）高温、高应力下的低倍断口（）高温、高应力源区的类解理平面（）疲劳裂纹扩展第二阶段的疲劳条带图 高温合金的高周疲劳断口形貌 ：（）；（）；（）；（）；（）；（）（）特征与 高温合金的基本相同。持久断裂特征在试验温度分别为 ，的持久试验条件下，高温合金持久断口的特征基本上类似。根据颜色变化，可将宏观断口分为三个区域，如图所示。区靠近试样表面，呈深灰色，近似圆形；区位于断口中间（试样上呈蓝色）区位于断口周边，暗灰色，呈剪切唇形貌。在同一温度下，随着试验加载应力的增大，区的面积明显减小，而剪切唇区的面积增大，如图（）和图（）所示。在相同的加载应力条件下，随着试验温度升高，区的面积减小，如图（）和图（）所示，而剪切唇的面积增大。试验温度为 时，区为类解理特征，如图（），（），（），图不同试验条件下 高温合金持久断口的宏观形貌 刘德林，等：粉末高温合金的断裂特征（）所示；当温度升高至 ，时，区均表现为沿晶特征，且晶界上存在大量氧化物颗粒，如图（）所示。在试验温度下，区均呈类解理小平面、韧窝、二次裂纹形貌，如图（）所示，区后部韧窝占断口的比例及二次裂纹数量比前部的均有增大的趋势。区呈韧窝断裂特征，如图（）所示。结合宏观和微观特征可知，区的氧化较严重（除外），故该区为持久断裂区；区和区为快速不稳定扩展区。以上的持久断裂区为沿晶特征，这是由粉末冶金高温合金的蠕变（持久）断裂机制决定的。由 图可见，在 高温合金的晶界上存（）区的类解理、韧窝及二次裂纹形貌（）区的韧窝特征图 高温合金持久断口的 形貌 ：（）；（）；（），（）图 高温合金的显微组织 在较多非连续分布的粒状碳化物，如图中箭头所指。文献 对 粉末冶金高温合金在 下的蠕变断裂特征进行了研究，发现当合金中存在粒状碳化物沿晶界非连续析出时，由于晶界及晶界碳化物可有效阻碍位错运动，故在晶界区域产生了位错塞积。随着蠕变的进行，在晶界区域位错塞积的数量增加，产生应力集中，当应力超过晶界的屈服强度时，裂纹萌生于晶界。在应力集中区域裂纹萌生的瞬间，其应力集中得以释放，应力降低，使其蠕变平稳进行。随着蠕变的继续进行，位错运动至晶界区域，再次产生应力集中，致使裂纹沿晶界扩展。尽管有粒状碳化物沿晶界区域非连续析出可提高晶界的结合强度，但裂纹沿晶界萌生、并沿晶界扩展的事实表明，晶界仍是使合金发生蠕变断裂的薄弱环节。综上所述，与 高温合金一样，合金的持久蠕变变形特征是晶内发生单取向和双取向滑移，随着蠕变的进行，位错在晶界处塞积，位错塞积引起的应力集中致使裂纹在晶界处萌生及扩展是合金的蠕变断裂机制。结论（）粉末高温合金低周疲劳断裂在小应变条件下的裂纹源为单源，且大部分起源于表面或次表面的类解理小平面，个别起源于次表面或内刘德林，等：粉末高温合金的断裂特征部的夹杂物；在大应变条件下，疲劳源为多源；且均从表面起源。在小应变条件下，疲劳裂纹稳定扩展第一阶段为类解理小平面特征，而在大应变条件下，疲劳裂纹稳定扩展第一阶段即可见疲劳条带特征。（）粉末高温合金室温高周疲劳断裂源多数为单源，裂纹起源于试样表面的类解理小平面；在低应力条件下，裂纹大多从内部夹杂起源，而在高应力条件下，裂纹均从次表面或内部点起源，源区呈类解理小平面特征；在任何温度下，无论疲劳源区有无夹杂，在疲劳裂纹稳定扩展的第一阶段，都有较大区域的类解理断裂小平面，疲劳裂纹稳定扩展第二阶段为疲劳条带特征。（）粉末高温合金持久断口在 时为穿晶特征，表现为类解理形貌；在 以上为沿晶特征，其断裂机制为晶内发生单取向和双取向滑移，随蠕变进行位错在晶界处塞积，进而引起应力集中致使裂纹在晶界处萌生并扩展。参考文献：邹金文，汪武祥粉末高温合金研究进展与应用航空材料学报，（）：张栋，钟培道，陶春虎，等 失效分析 北京：国防工业出版社，刘昌奎，杨胜，何玉怀，等 单晶高温合金断裂特征 失效分析与预防，（）：刘新灵，陈星，侯学勤，等 粉末冶金高温合金损伤与断裂特性研 究 稀 有 金 属 材 料 与 工 程，（）：周晓明，汪武祥，王旭青，等 非金属夹杂物对 合金微观拉伸行为的影响稀有金属材料与工程，（）：郭伟彬夹杂物对粉末高温合金疲劳性能的影响理化检验物理分册，（）：田素贵，谢君，周晓明，等 镍基合金的蠕变行为及影响因素稀有金属材料与工程，（）：櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥 （上接第 页）中出现较大尺寸的铁素体和碳化物，类似于完全退火状态。（）马氏体不锈钢在 保温油淬后，再经 保温空冷的回火处理后，硬度最高，为 ，综合性能最佳，为理想的热处理制度，可以满足使用性能要求。参考文献：戴佩琨压水堆核电站核岛主设备材料和焊接上海：上海科学技术文献出版社，张文华不锈钢及其热处理沈阳：辽宁科学技术出版社，师昌绪，颜鸣皋，刘伯操，等中国航空材料手册北京：中国标准出版社，邱晓刚，黎红，杨勇，等 试样缺口形状及加工精度对冲击功的影响钢铁钒钛，（）：夏立芳 金属热处理工艺学 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，耿洪滨新编工程材料哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，张平，周上祺热处理工艺对 型不锈钢组织和性能的影响特钢技术，（）：（上接第 页）田素贵，卢旭东，孙振东高 镍基合金的高温内氧化和内氮化行为中国有色金属学报，（）：傅献彩，沈文霞，姚天扬物理化学北京：高等教育出版社，：宁礼奎四种镍基高温合金的抗热腐蚀性能研究大连：大连理工大学，：李云，郭建亭，袁超，等镍基铸造高温合金 的热腐蚀行为 中国腐蚀与防护学报，（）：付广艳，刘群，门冰洁，等机械合金化 合金的热腐蚀行为腐蚀科学与防护技术，（）：庞洪梅，齐慧滨，何业东，等 弥散氧化物微晶涂层及其高温氧化性能中国有色金属学报，（）：，：，：，：檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷殟殟殟殟 欢 迎 来 稿欢 迎 订 阅欢 迎 刊 登 广 告刘德林，等：粉末高温合金的断裂特征