GH4169高溫合金材料的力學(xué)性能實驗研究

許磊，雷旭升

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

由于GH4169高溫合金材料具有良好的抗疲勞、耐腐蝕性能以及良好的加工性能、焊接性能和組織穩(wěn)定性[1-2]，其在航空工業(yè)中的應(yīng)用比較廣泛，在航空發(fā)動機中大量地被用于制造各種靜止件和轉(zhuǎn)動件，如盤件、機匣、軸、葉片等[3]。

當(dāng)發(fā)動機工作時，高速旋轉(zhuǎn)的葉片會吸入硬物雜質(zhì)。這些雜質(zhì)會對葉片等旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)造成小損傷，表現(xiàn)在宏觀上即為機械缺陷，如缺口和凹坑等，這樣會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，實際工作中會引起航空發(fā)動機部件的疲勞破壞，表現(xiàn)為葉片等結(jié)構(gòu)的高周疲勞失效[4-5]。能準(zhǔn)確地找到這些疲勞損傷，并預(yù)測發(fā)動機壽命，具有重要的實際應(yīng)用價值。由于GH4169的成分復(fù)雜，因此采用實驗法研究GH4169高溫合金及其缺口疲勞性能具有重要的工程意義[6-7]。

1 GH4169高溫合金靜拉伸試樣制備

該試驗材料由上海某公司提供。材料質(zhì)量分數(shù)如表1所示。參考國標(biāo)GB228 金屬材料室溫拉伸試驗方法制備了GH4169高溫合金靜拉伸試驗件如圖1所示。試驗件尺寸如圖2所示。靜拉伸試驗件厚度為2.8mm。

表1 GH4169高溫合金質(zhì)量分數(shù)

圖1 GH4169靜拉伸試樣

圖2 試驗件尺寸圖

2 靜拉伸結(jié)果

本實驗使用的液壓伺服材料試驗機型號為MTS793，整套試驗設(shè)備如圖3所示。主要包括載荷框架、控制器及ups電源、水冷控制系統(tǒng)界面以及液壓油源等。

圖3 拉伸試驗機

為了得到GH4169高溫合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進而得到材料的屈服強度和抗拉強度，共對GH4169高溫合金進行了兩次重復(fù)性靜拉伸試驗。拉伸結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出兩根試驗件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線重復(fù)性較好，這說明材料靜拉伸性能穩(wěn)定，試驗數(shù)據(jù)真實有效。

圖4 GH4169靜拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

拉伸后的斷裂結(jié)果如圖5所示。斷裂位置在試驗件中部，有頸縮現(xiàn)象，試驗有效。

圖5 靜拉伸斷裂結(jié)果

由實驗所得到的GH4169靜拉伸材料特性如表2所示。這個數(shù)據(jù)結(jié)果可以為GH4169疲勞壽命試驗奠定基礎(chǔ)。

表2 靜拉伸結(jié)果

3 疲勞試驗及結(jié)果

在靜拉伸試驗基礎(chǔ)上進行GH4169高溫合金光滑件和缺口件的疲勞壽命試驗。對光滑試驗件加載級分別為抗拉強度的55%、60%、64%、70%和75%，共5個等級，對應(yīng)應(yīng)力分別為701.25MPa、765MPa、817.7MPa、892.5MPa和956.25MPa。以名義應(yīng)力對缺口件進行加載。加載的總名義應(yīng)力為547.21MPa。加載級別為總名義應(yīng)力的60%、70%和81%。對應(yīng)的加載應(yīng)力分別為328.3MPa、383.0MPa和443.2MPa，應(yīng)力比為0.1，波形為正弦波，加載頻率為10Hz。試驗時按設(shè)定的循環(huán)載荷加載，直至試件斷裂，記錄每個試驗件的疲勞壽命。

圖6為GH4169高溫合金光滑件及其斷裂位置。圖7為GH4169缺口件及其斷裂位置?？梢钥闯?，斷裂位置在光滑試驗件平行段和缺口試驗件缺口處。證明數(shù)據(jù)有效。

圖6 GH4169光滑件斷裂結(jié)果

圖7 GH4169缺口件斷裂結(jié)果

表3和表4分別列出了GH4169光滑件和GH4169缺口件疲勞斷裂數(shù)據(jù)。隨著應(yīng)力增加，試驗件疲勞壽命減小。同一載荷級下，疲勞壽命具有分散性。

表3 GH4169光滑件數(shù)據(jù)

表4 GH4169缺口件數(shù)據(jù)

所選取的載荷范圍內(nèi)，疲勞試驗件的疲勞壽命都集中在104～106之間，處于中長壽命范圍內(nèi)。通過擬合，分別得到光滑件和缺口件的應(yīng)力-壽命曲線如圖8和圖9所示。從圖中可以看出，在壽命相同情況下，光滑件的應(yīng)力大于缺口件應(yīng)力。

圖8 GH4169光滑件應(yīng)力-壽命曲線

圖9 GH4169缺口件應(yīng)力-壽命曲線

根據(jù)擬合結(jié)果，得到GH4169高溫合金光滑件應(yīng)力-壽命方程為

lgσ=4.157-0.247lgNf

(1)

根據(jù)擬合結(jié)果，得到GH4169高溫合金缺口件應(yīng)力-壽命方程為

lgσ=3.566-0.190lgNf

(2)

根據(jù)缺口疲勞系數(shù)定義，Kf定義式為

Kf=Sf/Sf′

式中：Sf為光滑件疲勞極限；Sf′為缺口件疲勞極限。

缺口疲勞系數(shù)是>1的。缺口疲勞系數(shù)越大，疲勞壽命越短。對于本次研究，試驗壽命選取范圍為104～106，所以選取壽命為106對應(yīng)的應(yīng)力為本次研究的疲勞極限。代入式(1)求得光滑件的極限強度為473MPa。代入式(2)得到缺口件極限強度為267MPa。所以缺口系數(shù)為1.772。

4 結(jié)語

通過本次實驗研究，可以總結(jié)如下幾點：

1)本文設(shè)計GH4169高溫合金靜拉伸試驗件，當(dāng)試驗件受到拉伸載荷作用時，試驗件中心發(fā)生局部頸縮屈服，隨著載荷繼續(xù)增大，屈服區(qū)域逐漸擴大，最后從頸縮部位開始出現(xiàn)裂紋直至斷裂，但是總體頸縮現(xiàn)象不太明顯。通過試驗數(shù)據(jù)獲得接頭的抗拉強度約為1 275MPa。

2)本文在GH4169高溫合金靜強度試驗的基礎(chǔ)上，開展了GH4169高溫合金光滑件和缺口件的疲勞性能研究，建立了應(yīng)力比R=0.1下的應(yīng)力-壽命曲線。

3)通過對光滑件應(yīng)力壽命方程和缺口應(yīng)力壽命方程比較、計算，得出了高溫合金缺口疲勞系數(shù)Kf=1.772。