直接時效對GH4169合金應(yīng)力集中敏感性的影響

謝孝昌，李旭東，湯春峰，付書紅

(北京航空材料研究院，北京 100095)

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直接時效對GH4169合金應(yīng)力集中敏感性的影響

謝孝昌，李旭東，湯春峰，付書紅

(北京航空材料研究院，北京 100095)

以直接時效態(tài)(DA)GH4169合金為研究對象，通過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，分別研究該合金在650℃和室溫大氣狀態(tài)下，應(yīng)力集中系數(shù)分別為Kt=1，Kt=3，Kt=4時的疲勞極限。結(jié)果表明，直接時效態(tài)GH4169合金在高溫650℃和室溫狀態(tài)下，均具有很強(qiáng)的應(yīng)力集中敏感性，650℃時的疲勞極限，Kt=4較Kt=1下降了68%；室溫時的疲勞極限，Kt=4較Kt=1下降了66%。同時，直接時效態(tài)GH4169合金在室溫條件下，疲勞極限較650℃顯著降低，室溫較650℃時的疲勞極限在Kt=1時下降了32%，Kt=3時下降了30%，Kt=4時下降了28%。

直接時效；GH4169；旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞；應(yīng)力集中敏感；疲勞極限

GH4169合金的美國牌號為Inconel 718，法國牌號為NC19FeNb。該合金是一種以體心四方的γ″和γ′相沉淀強(qiáng)化的Ni-Fe-Cr基變形高溫合金，在-253～650℃的使用溫度范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。該合金具有強(qiáng)度高、抗氧化、抗輻照、熱加工性能和焊接性能好的特點(diǎn)，成為航空航天及核能、石油等領(lǐng)域大量應(yīng)用的關(guān)鍵材料。GH4169合金分為普通GH4169合金和優(yōu)質(zhì)GH4169合金，優(yōu)質(zhì)GH4169合金主要用于生產(chǎn)制造航空發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動部件。GH4169合金生產(chǎn)的鍛件從工藝上可分為三類：標(biāo)準(zhǔn)工藝、高強(qiáng)工藝和直接時效工藝。其相應(yīng)的鍛件稱之為標(biāo)準(zhǔn)GH4169鍛件、高強(qiáng)GH4169鍛件和直接時效(DA)GH4169鍛件。直接時效GH4169鍛件是目前國內(nèi)生產(chǎn)的強(qiáng)度最高的變形高溫合金[1-3]。

優(yōu)質(zhì)GH4169合金生產(chǎn)的這些轉(zhuǎn)動部件往往工作在高溫環(huán)境下，在這種服役條件和環(huán)境下，GH4169 合金部件承受著很大的疲勞載荷，材料的疲勞性能往往是直接影響其使用壽命的重要因素。對于高強(qiáng)度合金，其突出弱點(diǎn)是疲勞強(qiáng)度對應(yīng)力集中敏感，疲勞是一種表面敏感特性，疲勞對構(gòu)件表面狀態(tài)十分敏感。據(jù)統(tǒng)計，機(jī)械構(gòu)件失效中疲勞失效占50%～90%，其中航空構(gòu)件占80%以上。疲勞失效中，80%以上的裂紋起始于諸如加工刀痕、劃傷、組織損傷及其他表面缺陷造成的應(yīng)力集中處[4-6]。由此可見，表面應(yīng)力集中對構(gòu)件疲勞性能及服役壽命的影響。目前國內(nèi)外學(xué)者針對鎳基高溫合金尤其是GH4169合金開展了大量的高低周疲勞性能、裂紋擴(kuò)展、斷口形貌等方面的研究[7-17]，但對GH4169合金的應(yīng)力集中敏感特性方面研究較少。本研究針對高強(qiáng)度直接時效(DA)GH4169合金，采用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)方法，研究其在室溫和650℃大氣條件下不同應(yīng)力集中系數(shù)對疲勞性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為雙真空熔煉(真空感應(yīng)+真空自耗熔煉)的優(yōu)質(zhì)GH4169合金，合金化學(xué)成分見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)用優(yōu)質(zhì)GH4169合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

優(yōu)質(zhì)GH4169合金在1600t水壓機(jī)上進(jìn)行90mm方料鍛制，方料經(jīng)時效處理后獲得直接時效態(tài)GH4169合金棒材，該棒材具有細(xì)小晶粒組織和較高的力學(xué)性能，晶粒度達(dá)10級，見圖1。合金中δ相呈理想的短棒狀或顆粒狀分布，見圖2。該直接時效態(tài)GH4169合金的室溫屈服強(qiáng)度σ0.2為1336MPa，抗拉強(qiáng)度σb為1485MPa，650℃屈服強(qiáng)度σ0.2為1146MPa，抗拉強(qiáng)度σb為1271MPa。

圖1　DAGH4169的晶粒度(a)棒材中心；(b)棒材邊緣Fig.1　Grain size of DAGH4169(a)center of the forging bar;(b)edge of the forging bar

圖2　DAGH4169 的δ相分布(a)棒材中心；(b)棒材邊緣Fig.2　Distribution of δ phase in DAGH4169(a)center of the forging bar;(b)edge of the forging bar

1.2試樣制備

實(shí)驗(yàn)用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣取自經(jīng)時效處理的鍛制直接時效態(tài)GH4169合金90mm方棒，采用常規(guī)成形(車削+磨削)加工工藝分別加工標(biāo)準(zhǔn)的光滑旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt=1)和缺口旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(應(yīng)力集中系數(shù)分別為Kt=3和Kt=4)，試樣缺口半徑為：Kt=3時，r=0.14mm；Kt=4時，r=0.07mm。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

研究使用的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞設(shè)備為仟邦1000型疲勞試驗(yàn)機(jī)，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力比R=-1，實(shí)驗(yàn)頻率83Hz，實(shí)驗(yàn)按置信度90%和存活率50%進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)應(yīng)力從高到低測試每根試樣在相應(yīng)載荷下的循環(huán)次數(shù)，分別開展GH4169合金在室溫和高溫650℃下，光滑疲勞試樣Kt=1，缺口疲勞試樣Kt=3，4的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，對疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按升降法求得107循環(huán)次數(shù)下的疲勞極限。

2　結(jié)果與分析

2.1室溫下Kt=1，3，4的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能

依據(jù)前述實(shí)驗(yàn)方法，開展了直接時效態(tài)GH4169合金室溫大氣條件下光滑(Kt=1)和缺口(Kt=3，4)試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)。光滑(Kt=1)試樣的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平從1200MPa開始加載，試樣斷裂時的循環(huán)次數(shù)為3.00×104，然后依次降低實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平，480MPa時1根試樣循環(huán)次數(shù)在1.00×106斷裂，1根試樣在107循環(huán)次數(shù)未斷裂，繼續(xù)降低應(yīng)力水平至440MPa時試樣在107循環(huán)次數(shù)下未斷裂。根據(jù)實(shí)驗(yàn)疲勞數(shù)據(jù)，利用升降法求得107循環(huán)次數(shù)下Kt=1的疲勞極限為σ-1=498MPa。

缺口(Kt=3)試樣的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平從600MPa開始加載，試樣斷裂時的循環(huán)次數(shù)為1.5×104，然后依次降低實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平，186MPa時1根試樣在6.10×105循環(huán)次數(shù)下斷裂，4根試樣在107循環(huán)次數(shù)下未斷裂，至178MPa時試樣在107循環(huán)次數(shù)下未斷裂。利用升降法求得107循環(huán)次數(shù)下Kt=3的疲勞極限為σ-1=209MPa。

缺口(Kt=4)試樣的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平從400MPa開始加載，試樣斷裂時的循環(huán)次數(shù)為7.1×104，然后依次降低實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平，164MPa時1根試樣在5.56×106循環(huán)次數(shù)下斷裂，兩根試樣在107循環(huán)次數(shù)下未斷裂，至156MPa時試樣在107循環(huán)次數(shù)下未斷裂。利用升降法求得107循環(huán)次數(shù)下Kt=4的疲勞極限為σ-1=169MPa。獲得Kt=1，3，4時的疲勞中值S-N曲線，如圖3所示。

圖3　DAGH4169合金室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞S-N曲線(a)Kt=1；(b)Kt=3；(c)Kt=4Fig.3　Rotating bending fatigue S-N curves of DAGH4169 at room temperature(a)Kt=1；(b)Kt=3；(c)Kt=4

2.2650℃下Kt=1，3，4的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，開展了直接時效態(tài)GH4169合金650℃大氣條件下光滑(Kt=1)和缺口(Kt=3，4)試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)。光滑(Kt=1)試樣的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平從940MPa開始加載，試樣斷裂時的循環(huán)次數(shù)為3.00×104，然后依次降低實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平，710MPa時1根試樣循環(huán)次數(shù)在4.67×106斷裂，3根試樣在107循環(huán)次數(shù)未斷裂，繼續(xù)降低應(yīng)力水平至680MPa時試樣在107循環(huán)次數(shù)下未斷裂。根據(jù)實(shí)驗(yàn)疲勞數(shù)據(jù)，利用升降法求得107循環(huán)次數(shù)下Kt=1的疲勞極限為σ-1=731MPa。

缺口(Kt=3)試樣的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平從800MPa開始加載，試樣斷裂時的循環(huán)次數(shù)為5.0×103，然后依次降低實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平，290MPa時1根試樣循環(huán)次數(shù)在5.45×106斷裂，3根試樣在107循環(huán)次數(shù)未斷裂，繼續(xù)降低應(yīng)力水平至280MPa時試樣在107循環(huán)次數(shù)下未斷裂。根據(jù)實(shí)驗(yàn)疲勞數(shù)據(jù)，利用升降法求得107循環(huán)次數(shù)下Kt=3的疲勞極限為σ-1=297MPa。

缺口(Kt=4)試樣的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平從300MPa開始加載，試樣斷裂時的循環(huán)次數(shù)為4.5×104，然后依次降低實(shí)驗(yàn)應(yīng)力水平，220MPa時1根試樣循環(huán)次數(shù)在2.0×104斷裂，4根試樣在107循環(huán)次數(shù)未斷裂，繼續(xù)降低應(yīng)力水平至210MPa時試樣在107循環(huán)次數(shù)下未斷裂。根據(jù)實(shí)驗(yàn)疲勞數(shù)據(jù)，利用升降法求得107循環(huán)次數(shù)下Kt=4的疲勞極限為σ-1=234MPa。獲得Kt=1，3，4時的疲勞中值S-N曲線，如圖4所示。

圖4　DAGH4169合金650℃旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞S-N曲線(a)Kt=1；(b)Kt=3；(c)Kt=4Fig.4　Rotating bending fatigue S-N curves of DAGH4169 at 650℃(a)Kt=1；(b)Kt=3；(c)Kt=4

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1應(yīng)力集中系數(shù)對GH4169合金旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能的影響

根據(jù)直接時效態(tài)GH4169合金的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，室溫時，光滑試樣Kt=1的疲勞極限為498MPa，缺口試樣Kt=3的疲勞極限為209MPa，缺口試樣Kt=4的疲勞極限為169MPa。Kt=3的疲勞極限較Kt=1時下降了58%，Kt=4的疲勞極限較Kt=1下降了66%。650℃時，光滑試樣Kt=1的疲勞極限為731MPa，缺口試樣Kt=3的疲勞極限為297MPa，缺口試樣Kt=4的疲勞極限為234MPa。Kt=3的疲勞極限較Kt=1時下降了59%，Kt=4的疲勞極限較Kt=1下降了68%。GH4169合金室溫和650℃疲勞極限歸一化處理后如表2所示，圖5則更直觀地描述了應(yīng)力集中系數(shù)對疲勞極限的影響。

表2　DAGH4169合金室溫和650℃疲勞極限歸一化處理

由此可見，無論是室溫下還是高溫650℃條件下，直接時效態(tài)GH4169合金隨著應(yīng)力集中系數(shù)的增大，疲勞極限急劇下降，下降趨勢基本一致，Kt=3時已損失約60%的疲勞極限，Kt=4時更是損失約70%，均具有極強(qiáng)的應(yīng)力集中敏感特性。據(jù)分析，在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的鈦合金Ti6Al4V、鋁合金7050、超高強(qiáng)度鋼300M也均表現(xiàn)出同樣的應(yīng)力集中敏感特性，Kt=5時，疲勞極限下降約80%，而且隨著合金強(qiáng)(硬)度的提高，這一敏感特性呈增加趨勢。實(shí)驗(yàn)證明，在高強(qiáng)度合金構(gòu)件疲勞總壽命中，裂紋萌生壽命占70%～80%，有的合金這一比例更高。表面缺陷造成的局部應(yīng)力集中疊加在疲勞載荷上會加速疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，劇烈降低疲勞壽命[2，3]。對高強(qiáng)度的直接時效態(tài)GH4169合金構(gòu)件而言，如何控制表面缺陷從而減少表面應(yīng)力集中，是確保構(gòu)件安全服役的重要保障。

2.3.2溫度對GH4169合金旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，直接時效GH4169合金室溫的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限比高溫650℃時的下降明顯，對比室溫和650℃時的疲勞極限可知，Kt=1時，室溫較650℃的疲勞極限下降了32%，Kt=3時下降了30%，Kt=4時下降了28%。

本實(shí)驗(yàn)條件下，高溫對GH4169合金疲勞性能的影響，主要體現(xiàn)在兩方面：一是高溫下，材料的屈服強(qiáng)度和彈性模量均有一定降低，有利于裂紋擴(kuò)展；二是在高溫大氣條件下，GH4169合金存在氧化現(xiàn)象。在裂紋萌生階段，合金表面氧化將形成氧化膜，尤其在加工刀痕、缺口部位，氧化膜的存在一定程度上抑制了裂紋萌生；在裂紋擴(kuò)展階段，氧氣容易沿晶界擴(kuò)散至裂紋尖端，造成晶界氧化和脆化，有利于裂紋沿晶擴(kuò)展[18-21]。對于高強(qiáng)度合金GH4169合金而言，高溫對其疲勞性能影響取決于上述兩方面。

經(jīng)對不同試樣的疲勞斷口分析，Kt=1時，室溫疲勞斷口在高應(yīng)力水平下疲勞裂紋為多源起始，在低應(yīng)力水平下疲勞裂紋為單源起始，見圖6(a)，(b)；而650℃時，疲勞斷口在高應(yīng)力和低應(yīng)力水平下疲勞裂紋均呈現(xiàn)單源起始特征，見圖6(c)，(d)。分析認(rèn)為，650℃時，GH4169合金表面氧化形成氧化膜對表面疲勞裂紋萌生起一定的抑制作用，延緩了裂紋的萌生。斷口分析可見，室溫多源起始疲勞斷口的瞬斷區(qū)面積較大，擴(kuò)展區(qū)較小，瞬斷區(qū)面積從斷口中心覆蓋到邊部，疲勞裂紋從多個方向同時擴(kuò)展，在斷口中間處韌窩區(qū)逐漸匯合。而650℃單源起始疲勞斷口的瞬斷區(qū)面積較小，疲勞裂紋由斷口邊緣逐步深入擴(kuò)展，在斷口偏心處才形成瞬斷區(qū)?？梢?，多源起始疲勞較單源起始疲勞擴(kuò)展快，疲勞壽命短。因此，Kt=1時，一方面高溫氧化抑制裂紋萌生，另一方面多源疲勞擴(kuò)展比單源疲勞擴(kuò)展快，導(dǎo)致室溫較650℃的疲勞極限有下降。

圖6　DAGH4169合金Kt=1疲勞斷口SEM全貌(a)室溫1200MPa試樣；(b)室溫580MPa試樣；(c)650℃，900MPa試樣；(d)650℃，770MPa試樣Fig.6　SEM feature of fatigue fracture surface of Kt=1 DAGH4169 specimen(a)specimen of 1200MPa,room temperature；(b)specimen of 580MPa,room temperature；(c)specimen of 900MPa,650℃；(d)specimen of 770MPa,650℃

當(dāng)Kt=3，4時，疲勞斷口顯示，疲勞裂紋在高應(yīng)力和低應(yīng)力水平下不論是室溫還是650℃均呈現(xiàn)多源起始特征。這時高溫對疲勞性能的影響主要取決于氧化膜對疲勞裂紋萌生的抑制作用為主，還是高溫氧化對疲勞裂紋擴(kuò)展的加速作用為主，實(shí)驗(yàn)證明，高溫時氧化膜對疲勞裂紋萌生的抑制作用占主導(dǎo)地位，這與“在高強(qiáng)度合金構(gòu)件疲勞總壽命中，裂紋萌生壽命占70%～80%，有的合金這一比例更高”的描述相吻合。因此，分析認(rèn)為這也是GH4169合金650℃較室溫疲勞極限高的原因。

3　結(jié)論

(1)直接時效GH4169合金具有很強(qiáng)的應(yīng)力集中敏感性，室溫大氣條件下Kt=3的疲勞極限較Kt=1時損失了58%，Kt=4的疲勞極限較Kt=1損失了66%。650℃時Kt=3的疲勞極限較Kt=1時損失了59%，Kt=4的疲勞極限較Kt=1損失了68%。

(2)室溫條件下直接時效GH4169合金的疲勞極限較高溫650℃時有顯著降低，Kt=1時，室溫疲勞極限較650℃下降了32%，Kt=3時下降了30%，Kt=4時下降了28%。

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Effect of Direct Aging on Stress Concentration Sensitivity of GH4169 Superalloy

XIE Xiao-chang，LI Xu-dong，TANG Chun-feng，F(xiàn)U Shu-hong

(Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

Through rotating bending fatigue test carried out in air condition, the fatigue limit of DAGH4169 superalloy with three different stress concentration sensitivity coefficients (Kt=1,Kt=3 andKt=4) at room temperature and at 650℃ was studied. The research results indicate that the DAGH4169 superalloy is severely sensitive to the stress concentration both at room temperature and at 650℃. When it is at 650℃, the fatigue limit of DAGH4169 superalloy with stress concentration sensitivity coefficientKt=4 decreases by 68% compared withKt=1, and the fatigue limit decreases by 66% at room temperature. Meanwhile, the fatigue limit of the DAGH4169 superalloy is obviously lower at room temperature than at 650℃. WhenKt=1, the fatigue limit at room temperature decreases by 32% compared with at 650℃, and the fatigue limit decreases by 30%, whenKt=3，and the fatigue limit decreases by 28%, whenKt=4.

direct aging；GH4169；rotating bending fatigue；stress concentration sensitivity；fatigue limit

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.02.014

TG113.25

A

1001-4381(2016)02-0088-06

2015-06-09;

2015-10-27

謝孝昌(1984—)，男，工程師，主要從事金屬材料熱處理工藝及組織與性能研究，聯(lián)系地址：北京市81信箱56分箱(100095),E-mail:xxc127@163.com