DD6 單晶高溫合金非對稱循環(huán)載荷低周疲勞性能及斷裂機(jī)制

李 維, 趙春玲, 張 鑫, 王 強(qiáng), 李 璞, 方 向, 彭文雅

（中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412000）

鎳基單晶高溫合金因其優(yōu)異性能被廣泛用于制造航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片[1-2]。第二代單晶高溫合金DD6 由我國自主成功研制，其性能優(yōu)于或達(dá)到國外廣泛應(yīng)用的同代合金，且具有低成本的優(yōu)勢[3-4]，以其優(yōu)異的高溫性能己在我國多種先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用[5]。先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)渦輪工作葉片必須達(dá)到多種性能要求以滿足其非常苛刻的服役環(huán)境。高溫服役中葉片長期承受交變應(yīng)力或震動應(yīng)力，疲勞失效現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生[6-7]，所以針對DD6 合金的疲勞性能進(jìn)行了大量的研究[8]。在疲勞過程中，碳化物容易導(dǎo)致顯微裂紋的萌生和擴(kuò)展，與DD5 合金相比，DD6 合金的碳含量較少，具有較高的高周疲勞性能[9]。試樣表面腐蝕會降低合金760 ℃的疲勞性能，且對低應(yīng)力幅的疲勞壽命影響較小，而對高應(yīng)力幅的疲勞壽命影響較大，表面腐蝕對合金980 ℃的疲勞性能影響很小[10]。試樣表面的等軸和胞狀再結(jié)晶減小了DD6 單晶合金的高周軸向疲勞壽命，等軸再結(jié)晶的影響大于胞狀再結(jié)晶，其斷裂機(jī)制為類解理和局部韌窩斷裂共存的混合斷裂，且為多源疲勞斷裂[11]。渦輪葉片氣膜孔的形狀及特征[12-13]、由抽拉速率不同所導(dǎo)致的γ′相的尺寸差異[14]、晶體取向[15-16]等因素都會影響DD6 合金的疲勞性能，實驗條件也是影響單晶合金的疲勞性能的主要因素[17-18]。上述DD6 單晶合金疲勞性能研究都是對稱循環(huán)載荷（應(yīng)變比R為-1）情況下進(jìn)行的，目前對非對稱循環(huán)情況下的疲勞性能研究很少，但單晶渦輪葉片服役時主要承受的應(yīng)力為非對稱循環(huán)載荷[19]；渦輪葉片與渦輪盤連接的榫頭部位，長期承受交變應(yīng)力而可能發(fā)生低周疲勞損傷，并且葉片榫頭的工作溫度處于中溫；所以，開展中溫非對稱循環(huán)載荷下單晶合金低周疲勞性能的研究具有重要的意義。本工作研究了[001]取向DD6 合金700 ℃非對稱循環(huán)載荷、應(yīng)變比R為0.05 條件下的中溫低周疲勞性能，并利用掃描電鏡分析其疲勞斷裂機(jī)理，為DD6 合金的工程化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 實驗材料及方法

采用定向凝固爐制備[001]取向的DD6 單晶高溫合金試棒，合金化學(xué)成分見表1。用X 射線分析儀檢測試棒的晶體取向偏離度，試棒的[001]結(jié)晶取向與主應(yīng)力軸方向的偏差在15°以內(nèi)。單晶試棒在電阻加熱爐中進(jìn)行固溶熱處理和兩級時效處理。固溶處理制度為1290 ℃/ 1 h+1300 ℃/ 2 h+1315 ℃/ 4 h+空冷，一次時效制度為1120 ℃/ 4 h+空冷，二次時效制度為870 ℃/ 32 h+空冷。熱處理后單晶試棒加工成Kt=1 的低周疲勞試樣，試樣尺寸和形狀如圖1 所示。將低周疲勞性能試樣置于MTS-370 疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行應(yīng)變（Δεt）控制的低周疲勞實驗，測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 15248-2008。實驗溫度700 ℃，應(yīng)變比R=0.05，應(yīng)變速率為5×10-3s-1，加載載荷波形為三角波，實驗環(huán)境為大氣環(huán)境，每個試樣均進(jìn)行至斷裂為止。利用掃描電鏡觀察試樣的熱處理組織、斷口形貌和斷裂顯微組織。

表1 DD6 合金的名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Nominal chemical compositions of DD6 alloy（mass fraction/%）

2 結(jié)果與分析

2.1 合金熱處理組織

圖2 為DD6 合金經(jīng)過固溶處理和兩級時效處理后的顯微組織。由圖2 可以看出，合金熱處理組織由γ′析出強(qiáng)化相和γ 基體相組成，γ′相立方化良好。合金在固溶保溫過程中，共晶相全部溶解，所有γ′析出強(qiáng)化相回溶，獲得單相的γ 基體組織，在冷卻過程中大量的γ′相從γ 基體相中析出，再經(jīng)過兩級時效處理，獲得立方狀規(guī)則的γ′相組織。

金融活、經(jīng)濟(jì)活，金融穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)穩(wěn)。農(nóng)民信用合作是培育新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體，促進(jìn)農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的融通動力。金融已成為資源配置和宏觀調(diào)控的重要工具，成為推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要力量，農(nóng)民信用合作是完善農(nóng)業(yè)支持保護(hù)制度、健全農(nóng)業(yè)社會化服務(wù)體系、實現(xiàn)小農(nóng)戶和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的橋梁紐帶。

圖2 DD6 合金的熱處理組織Fig.2 Heat treatment microstructure of DD6 alloy

2.2 低周疲勞壽命

DD6 合金700 ℃條件下的應(yīng)變-壽命曲線如圖3 所示，其中，?εt/2 是應(yīng)變幅，?εe/2 是彈性應(yīng)變幅，?εp/2 是塑性應(yīng)變幅，?σ/2 為應(yīng)力幅。由圖3 看出，隨著應(yīng)變幅增加，合金的低周疲勞壽命降低，合金非對稱循環(huán)條件下具有良好的中溫低周疲勞性能。過渡疲勞壽命NT定義為彈性應(yīng)變幅等于塑性應(yīng)變幅時的疲勞壽命。從圖3 可以看出，DD6 合金沒有過渡疲勞壽命NT，這說明合金在中溫非對稱循環(huán)低周疲勞循環(huán)中起主要作用的為彈性應(yīng)變，材料的強(qiáng)度對壽命起決定作用，與對稱循環(huán)實驗條件下DD6 合金中溫疲勞的情況相同[15]。

圖3 700 ℃時DD6 合金疲勞壽命與應(yīng)變幅的關(guān)系 （a）總應(yīng)變幅；（b）彈性與塑性應(yīng)變幅Fig.3 Relationship between strain amplitude and fatigue life of DD6 alloy at 700 ℃ （a）total strain amplitude；（b）elastic and plastic strain amplitude

（1）通過研究獲得了DD6 合金700 ℃、R為0.05 的低周疲勞Coffin-Manson 方程。

由圖5 還可以看出，在顯微孔洞處形成顯微裂紋后，裂紋先沿垂直于應(yīng)力方向的曲面進(jìn)行擴(kuò)展，后沿{111}平面擴(kuò)展。由于顯微孔洞形狀極不規(guī)則，孔洞邊緣不同位置顯微裂紋匯聚形成一個不規(guī)則的彎曲曲面向試樣中部擴(kuò)展?？拷磪^(qū)的擴(kuò)展曲面上有明顯的放射線。在曲面上可觀察到明顯的疲勞條帶特征，見圖6（a）和（b）。循環(huán)變形過程中，裂紋發(fā)生張開與閉合，尖端發(fā)生塑性變形，在斷口的上下表面形成隆起的條紋，即為疲勞條帶，它是疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展微觀形貌的典型特征，也是疲勞斷裂失效的基本判據(jù)[25]。從圖6（a）和（b）可以看出，疲勞條帶的條紋相互平行，條帶方向垂直于局部疲勞裂紋擴(kuò)展方向并沿擴(kuò)展方向向外凸，可以推測兩個試樣的裂紋擴(kuò)展方向都是從右向左，疲勞條帶中可見類解理臺階特征，通過類解理臺階疲勞裂紋可在不同擴(kuò)展面上進(jìn)行轉(zhuǎn)換。從彎曲曲面擴(kuò)展到{111}面擴(kuò)展的過渡區(qū)域，可見類解理臺階形貌和二次裂紋形貌特征，類解理臺階為{111}小平面，如圖6（c）所示。隨著疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)程增加，類解理臺階的尺寸逐步增加，最后在較大的{111}平面上擴(kuò)展。在擴(kuò)展{111}面上可見典型的河流花樣特征，如圖6（d）所示。

表2 DD6 合金非對稱循環(huán)載荷下的低周疲勞參數(shù)Table 2 Low cycle fatigue parameters of DD6 alloy under asymmetrical cyclic loading

2.3 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變行為

材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變性能反映了在低周疲勞過程中材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變特征，是低周疲勞性能研究的重要方面之一。應(yīng)力應(yīng)變曲線又稱為循環(huán)滯后環(huán)，它的面積即為循環(huán)滯后能密度。低周疲勞損傷由試樣吸收的滯后能密度來控制，因此使用循環(huán)滯后環(huán)線的面積可以來描述材料的疲勞損傷行為。圖4 為DD6 合金在不同總應(yīng)變幅下半衰期循環(huán)和最后一個循環(huán)周次的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖4 可以看出，在總應(yīng)變幅為1.1%的和1.6%的情況下，合金的半衰期循環(huán)滯后環(huán)基本為直線；在總應(yīng)變幅為1.9%的情況下，半衰期循環(huán)滯后環(huán)，以及三個總應(yīng)變幅條件下最后一個循環(huán)滯后環(huán)幾乎為直線；上述情況表明疲勞過程基本上為彈性變形，塑性變形量極小，且塑性變形主要發(fā)生在拉應(yīng)力最后階段，隨著總應(yīng)變幅的增加，半衰期循環(huán)滯的面積增多，塑性變形的疲勞損傷增加。

圖4 合金不同條件下的滯后環(huán) （a）Δεt/2=1.1%， Nf=10171， 半衰期循環(huán)；（b）Δεt/2=1.1%， Nf=10171， 最后一個循環(huán)；（c）Δεt/2=1.6%， Nf=924， 半衰期循環(huán)；（d）Δεt/2=1.6%， Nf=924， 最后一個循環(huán)；（e）Δεt/2=1.9%， Nf=349， 半衰期循環(huán)；（f）Δεt/2=1.9%， Nf=349， 最后一個循環(huán)Fig.4 Typical hysteresis loops of the alloy at different conditions （a）Δεt/2=1.1%， Nf=10171， half-life cycle；（b）Δεt/2=1.1%，Nf=10171， last cycle；（c）Δεt/2=1.6%， Nf=924， half-life cycle；（d）Δεt/2=1.6%， Nf=924， last cycle；（e）Δεt/2=1.9%，Nf=349， half-life cycle；（f）Δεt/2=1.9%， Nf=349， last cycle

2.4 低周疲勞斷口分析

水平裂縫，雙側(cè)向差異較小和無差異，對于45°裂縫，雙側(cè)向呈“負(fù)差異”，且差異幅度越大，裂縫越發(fā)育，即裂縫的張開度越大，裂縫密度、裂縫孔隙度、裂縫徑向延伸深度越大，雙側(cè)向測井電阻率比基質(zhì)巖石電阻率下降幅度也越大。

裂紋擴(kuò)展主要取決于應(yīng)力狀態(tài)、微觀組織以及材料的晶體結(jié)構(gòu)特征，裂紋一旦萌生，應(yīng)力就獲得釋放，因此裂紋的擴(kuò)展主要依賴于合金的微觀組織和晶體結(jié)構(gòu)[26]。鎳基單晶高溫合金為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，其主要的塑性變形機(jī)制為滑移。單晶合金通常沿原子排列密度最大的晶體平面和晶體方向進(jìn)行滑移，在700 ℃的中溫下開動八面體滑移系。滑移可以在兩個不同的{111}平面上交替進(jìn)行，形成主滑移系與次滑移系，從而疲勞斷口上形成了類解理平面臺階特征，二次擴(kuò)展裂紋即為次滑移系開動形成的滑移面。二次擴(kuò)展裂紋能夠松弛裂紋尖端的應(yīng)力集中，降低疲勞裂紋的擴(kuò)展速率[27]。因此，700 ℃下DD6 合金的低周疲勞斷裂機(jī)制為類解理斷裂，這與其他文獻(xiàn)的分析結(jié)果一致[28]。

圖5 為合金低周疲勞的整體形貌與源區(qū)斷口特征。從圖5 的整體斷口特征可以看出，低周疲勞斷口由裂紋源區(qū)，裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成，其斷裂機(jī)制為類解理斷裂。由圖5（a）、（b）看出，斷口上存在一個疲勞裂紋源，裂紋起源于疲勞試樣亞表面的顯微孔洞處。由圖5（c）、（d）、（e）看出，試樣應(yīng)變幅較大，有兩處疲勞源，為表面和亞表面的顯微孔洞。由圖5（g）、（h）可以看出，試樣有一處疲勞源，裂紋萌生于試樣遠(yuǎn)離表面的顯微孔洞，形成了典型的“魚眼”形貌。相對于周圍區(qū)域具有放射狀條紋的擴(kuò)展區(qū)，“魚眼”源區(qū)較為平滑，三個不規(guī)則的顯微孔洞排列于“魚眼”中心區(qū)域。在交變載荷應(yīng)力下，顯微孔洞上容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此疲勞裂紋容易在表面、亞表面或近表面的顯微孔洞處萌生，這與其他單晶高溫合金疲勞裂紋的起源位置相同[21-22]。“魚眼”為等軸晶合金高周或超高周疲勞的典型裂紋源區(qū)特征形貌[23-24]，DD6合金的低周疲勞斷口出現(xiàn)“魚眼”形貌，這說明DD6 合金具有良好的低周疲勞性能，顯示出其他合金高周或超高周的疲勞斷裂特征。

圖5 疲勞斷口整體形貌和源區(qū)形貌 （a）、（b）Δεt/2=1.3%， Nf=4554；（c）、（d）、（e）Δεt/2=1.6%， Nf=832；（f）、（g）、（h）Δεt/2=1.1%， Nf=18133Fig.5 Overall morphology of fatigue fracture surface and crack initiation site （a），（b）Δεt/2=1.3%， Nf=4554；（c），（d），（e）Δεt/2=1.6%， Nf=832；（f），（g），（h）Δεt/2=1.1%， Nf=18133

式中：E為彈性模量；Nf為疲勞壽命；σf′為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；εf′為疲勞延性系數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)。依據(jù)方程（1），對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了DD6 合金700 ℃的應(yīng)變疲勞參數(shù)，如表2 所示。由表2 獲得DD6 合金的Coffin-Manson方程如下：

圖8 為低周疲勞試樣斷裂后的組織形貌。由圖8 看出，合金塑性變形不均勻，疲勞斷口附近區(qū)域的γ′相形狀不再保持立方形狀，發(fā)生了嚴(yán)重塑性變形，而心部區(qū)域的塑性變形較小，γ′相仍保持立方狀形態(tài)。斷口附近可見滑移帶，滑移帶方向與試樣[001]取向的夾角大約為45°，有二次裂紋沿滑移帶形成。文獻(xiàn)提出滑移帶的出現(xiàn)是LCF 損傷的先兆，滑移帶與總應(yīng)變量密切相關(guān)，隨著總應(yīng)變幅的增加，出現(xiàn)滑移帶的時間減少[29]。

圖7 疲勞斷口瞬斷區(qū)特征形貌 （a）、（b）Δεt/2=1.6%，Nf=924；（c）Δεt/2=1.1%，Nf= 10171；（d）Δεt/2=1.1%，Nf=18133Fig.7 Characteristics of the final fracture zone （a）、（b）Δεt/2=1.6%，Nf=924；（c）Δεt/2=1.1%，Nf= 10171；（d）Δεt/2=1.1%，Nf=18133

河道周邊的綠化，要做到層次化和空間化,種植密度不宜過大，樹木種類要較為豐富些，不同的流域要有不同的景觀。通常會以高達(dá)的喬木作為背景，將亞喬木、灌木、草花及地被作為組團(tuán)。水生植物和濕地植物要注重色彩的搭配，要體現(xiàn)出水體的美感。設(shè)計人員在設(shè)計城市河道道路景觀時，要堅持自然、淳樸的思想理念，做好將城區(qū)運輸?shù)缆放c休閑道路分隔開，將河道周圍的道路與植物區(qū)域、小區(qū)公園等相融合在一起，設(shè)計出豐富多變的景觀區(qū)域，讓前來休閑放松的人們能夠享受到更加舒適的自然美。本項目市政道路改造措施為，新建8條市政道路，總里程約5km；新建5座景觀橋梁。

2.5 實驗后顯微組織分析

斷口瞬斷區(qū)特征見圖7。由圖7 可見，瞬斷區(qū)存在許多的類解理平面與撕裂棱。隨著裂紋不斷擴(kuò)展，試樣承載載荷的面積減小，最后試樣瞬間斷裂。瞬斷區(qū)的類解理面為{111}面，在類解理面上可見兩個方向相交的滑移線形貌，見圖7（b）。

圖8 疲勞斷裂組織 （a）、（b）、（c）Δεt/2=1.1%， Nf=18133；（d）Δεt/2=1.6%， Nf=832;（e）、（f）Δεt/2=1.9%， Nf=288Fig.8 Microstructue of specimen after fatigue fracture （a），（b），（c）Δεt/2=1.1%， Nf=18133;（d）Δεt/2=1.6%， Nf=832；（e），（f）Δεt/2=1.9%， Nf=288

3 結(jié)論

在應(yīng)變低周疲勞過程中，用彈性分量與塑性分量之和來表示疲勞壽命與總應(yīng)變幅的關(guān)系，即Coffin-Manson 方程[20]，DD6 合金的應(yīng)變-疲勞壽命曲線方程如式（1）所示：

戴笠這次派特務(wù)無故搜家，更激起黃炎培的無比憤慨。他想，你戴笠沒有抓到我什么把柄，我這回一定不饒你。不然，特務(wù)們以后還要來欺負(fù)的。

（2）隨著應(yīng)變幅增加，合金的低周疲勞壽命降低；合金在非對稱循環(huán)條件下具有良好的中溫低周疲勞性能，合金不存在過渡壽命，低周疲勞過程中彈性應(yīng)變起主要作用，塑性變形量極小。隨著總應(yīng)變幅的增加，塑性變形損傷增加。

研究對象來自懷化學(xué)院文理科各個非英語專業(yè)的本科生，共474人。所有研究對象都已完成三個學(xué)期的大學(xué)英語學(xué)習(xí)并通過大學(xué)英語四級。研究方法主要采用問卷調(diào)查的形式，并對部分學(xué)生進(jìn)行了有針對性的訪談。

（3）疲勞斷口由疲勞源區(qū)，裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)三部分組成，其斷裂機(jī)制為類解理斷裂。裂紋先沿與主應(yīng)力垂直方向擴(kuò)展，然后沿{111}平面擴(kuò)展，疲勞裂紋萌生于試樣的表面、亞表面、或遠(yuǎn)離表面的顯微孔洞，近表面起裂斷口有“魚眼”特征；裂紋擴(kuò)展區(qū)有典型的疲勞條帶、類解理臺階、河流狀花樣特征；瞬斷區(qū)有類解理平面、滑移帶、撕裂棱特征。

（4）離斷口遠(yuǎn)處γ′相仍保持立方狀形態(tài)，斷口附近可見滑移帶，二次裂紋沿滑移帶形成。