镍基合金液化裂纹【镍基合金GH4169缺口件多轴疲劳裂纹萌生与扩展】

时间：2019-05-14 03:29:55　来源：雅意学习网本文已影响人

　　　　　　　　　　(邯郸职业技术学院机电系河北邯郸 056001) 　　作者简介：陈建华（1979.12-),男,河北成安县人，硕士研究生，研究方向：机械设计及理论，机械强度。
　　【摘要】对镍基合金GH4169缺口件进行多轴恒幅比例加载疲劳试验，利用FEI-Quanta2000扫描电镜对多轴试样的断口面和外表面进行扫描观察，通过观察结果研究高温下多轴疲劳裂纹萌生及扩展机理。
　　【关键词】镍基合金；缺口试件；疲劳裂纹
　　【中图分类号】TH114 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5071(2012)05-0389-02
　　1 引言
　　疲劳断裂失效主要起源于机械构件或零件中产生的裂纹，所以要分析研究疲劳断裂失效的原因或影响因素，就必须着重或首先分析研究断口的类型、机理和特征。
　　2 多轴疲劳裂纹宏观断口观察
　　疲劳断裂的发展过程是疲劳裂纹的萌生、扩展和瞬时断裂。对缺口试件的断口进行宏观观察如图1-1,由图a）可明显的看到断口的三个区，断口中央部位较粗糙，颜色呈暗灰色，这显然是瞬时断裂区；而四周断口表面平滑，有明显的贝纹线,为裂纹扩展区。图1-1的a)中可明显看出,裂纹源在试件的外表面生成并向内部延伸扩展。b)中可看出在整个试验过程中，试件产生多个裂纹源，并向试件内部扩展。
　　 1.3 多轴疲劳裂纹源观察:对于GH4169高温合金，其裂纹源大都发生在试件的表面，主要是因为具有自由表面的晶粒不能完全受到邻近晶粒的支持，在承受外加载荷时比内部金属更容易发生塑性变形，并最终萌生疲劳裂纹。还有一个原因就是表面粗糙度引起的应力集中和表面残余拉应力引起的表面应力最大。基于以上原因，对于此合金，其裂纹源大都发生在试件表面。
　　图1-2是用扫描电镜对试件的断裂面进行裂纹源观察的图像。
　　由图1-2可以看出，对试件中典型裂纹源放大50倍后，可以清晰地看到裂纹源在试件表面生成，并呈放射状向内部扩展。
　　 1.4 多轴比例加载下疲劳断口微观观察:与单轴载荷下的低周疲劳断口相比，多轴疲劳断口显得比较复杂，也较难观察。主要是因为多轴疲劳的断口出现大量的擦痕和挤压，致使疲劳条纹不太明显。图1-3是等效应变为0.6％，比例加载下的缺口件断口形貌，a)为放大50倍的图像，b)为放大500倍的图像。
　　
　　
　　图1-3 45°比例加载路径断口形貌(Δε/2=0.6%)从a)图中可明显的看出粗糙的瞬断区和较为平滑的扩展区。图b)是扩展区和瞬断区之间的过渡区，可以看出瞬断区明显的韧窝，和扩展区的海滩状条纹，在这两个区域之间可以看出较大的二次裂纹。图1-4 为将此试件的扩展区放大2000倍的图像，图中有较多的二次裂纹。因为GH4169是多晶体合金，而且还存在碳化物，在碳化物与基体交界处的结合力小，在较大剪切应力作用下，易产生二次裂纹。在图中可以看出有类似轮胎花样和脊骨花样的疲劳条纹。轮胎花样和脊骨状花样是低周疲劳断口常见的微观特征。
　　图1-5是等效应变为0.4％，比例加载下的断口形貌。图中a)，b)，c)，d)均为放大4000倍时的照片。
　　图1-5中可以看出，在扩展区凹处摩擦不到的地方出现了较为明显的疲劳条纹，这些疲劳条纹相互平行，略带弯曲呈波浪形。这是由于各种外部和内部的原因而引起的疲劳裂纹扩展停止和减慢的结果。从1-4和1-5两图可以看出，在多轴比例加载下，在扩展区存在大量的研磨擦痕，
　　图1-4 45°比例加载路径断口形貌（x2000）
　　
　　
　　
　　图1-5 45°比例加载路径断口形貌(Δεeq/2=0.4%)其原因是由于疲劳裂纹扩展速度较慢以及裂纹反复张开与闭合，使两个相互匹配的断口在运行过程中相互摩擦造成的。
　　2 结论
　　 (1)对于比例加载下的试件，可观察出其疲劳辉纹和疲劳台阶，对于非比例加载下的试件其断口由于相互研磨剧烈，故其疲劳特征不明显，断口形貌多呈现擦痕。
　　 (2)GH4169合金试样的疲劳断口宏观形貌是由裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区三部分组成。在扩展区向瞬断区过渡时，有明显的较大的二次裂纹，在瞬断区有大量的韧窝和晶间化合物。
　　参考文献
　　[1] Shang D G．Research on Local Stress-Strain Field Intensity Approach for Fatigue Life Prediction under Random Loading. (In Chinese)(尚德广．随机加载下疲劳寿命预测的局部应力应变场强法研究．南京航空航天大学博士后研究工作报告，1998)
　　[2] Fatimi.A and Kurath.P. Multiaxial fatigue life predictions under the influence of mean-stress. Trans ASME, J Engng Mater.Tech, 1988,110:380~388
　　[3] ZHAO MingPan. Strain fatigue analysis manual. Science Press,1987(In Chinese)(赵名泮．应变疲劳分析手册．科学出版社，1987)
　　

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