DZ408合金低周疲劳行为

DZ408合金低周疲劳行为
张仕朝
【摘要】研究了 DZ408合金在950℃，1000℃和1050℃，应变比为0．05条件下的低周疲劳性能。

结果表明：平均应变为正时，非对称循环应变控制会产生平均应力松弛现象，且随着温度与应变幅的增大，平均应力松弛速率增大；在950℃，1000℃和1050℃时，材料具有 Massing 特性，采用修正的 SWT 模型能很好地预测不同温度下应变比为0．05的低周疲劳寿命，且给出了修正 SWT 模型参数随温度变化的关系式Δεt 2σmax ＝（－38．9＋0．101 T）N（0．96－0．0014T）。

%The total strain-controlled low cycle
fatigue(LCF)behaviors of directionally solidified(DS)superalloy DZ408 at 950 ℃, 1000 ℃ and 1050 ℃ for R =0.05 were investigated.The results of LCF tests indicate that the mean stress relaxation is occurred under asymmetric straining .The rate of mean stress relaxation is increased with the increase of temperature and strain amplitude.The alloy has Massing characteristic at 950 ℃,1000 ℃ and 1050 ℃ for R =0.05.All the LCF data obtained under various temperatures are well correlated by the modified SWT approach for lifetime prediction,and also the relationship between temperature and parameter of modi-fied SWT model are obtained.
【期刊名称】《航空材料学报》
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】5页(P93-97)
【关键词】DZ408;低周疲劳;应变比;平均应力松弛
【作者】张仕朝
【作者单位】北京航空材料研究院，北京 100095; 航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095; 先进高温结构材料科技重点实验室，北京 100095
【正文语种】中文
【中图分类】TG132.33
定向凝固高温合金由于很好的综合力学性能，被广泛应用航空工业中。

为更好地发展及应用定向凝固高温合金，研究者对其组织成分及力学性能进行了研究[1-2]。

DZ408合金是第一代凝固柱晶高温合金，主要强化相为沉淀析出的γ′相，合金具有良好的力学性能和良好的铸造性能，主要用于涡轮发动机的工作叶片和导向叶片材料，适用于铸造复杂型腔的薄壁空心叶片[3-4]。

涡轮叶片作为发动机的热端部件。

除了承受因高温引起的蠕变损伤外，同时也会因承受发动机启动、停机产生的交变载荷及温度变化而引起的低周(Low cycle fatigue，LCF)疲劳破坏,在实际服役中，主要承受非对称循环载荷[5]，为了更好的了解DZ408合金的疲劳特性，本工作研究了DZ408合金950 ℃，1000 ℃和1050 ℃，应变比为0.05时的低周疲劳行为，以期为叶片寿命设计提供依据。

试验材料为定向凝固高温合金DZ408，其化学成分如表1所示。

DZ408母合金在500kg 的真空感应炉中熔炼(VIM)，浇铸成φ80mm的合金锭。

定向凝固试棒在ISP2/Ⅲ-DS真空感应炉中进行，采用快速凝固(HRS)法，制备柱晶试棒，毛坯经热处理后，机加工成直径6mm，标距12mm的标准疲劳试样，低周疲劳试验是在MTS液压伺服疲劳试验机上进行。

试验用轴向应变控制，通过石英刀口与试样表面接触测试标距内的应变，加载波形为三角波，应变比R=εmin/εmax=0.05，
试验温度为950 ℃，1000 ℃和1050 ℃，选取应变幅εa(εa=(εmax-
εmin)/2=Δε/2)的范围为0.28%～1.14%。

通过炉内电阻丝辐射加热试样，由分布于标距附近的热电偶控制温度的波动，温度波动控制在±2 ℃。

试验数据的采集由计算机完成，各个试样均进行至试样断裂。

试验方法参照GB/T 15248—2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》中规定执行。

2.1 循环应力响应行为
试验过程中，对每一给定的总应变幅记录应力值随循环周次的变化情况。

应力值随循环周次的变化(即循环应力响应)宏观反映了合金在不同温度及其他试验条件下的应变硬化或软化行为。

图1给出了DZ408合金在950 ℃，1000 ℃及1050 ℃下的循环应力响应曲线。

由图1(a)可以看出，950 ℃下，应变幅为0.67%～1.14%时，材料处于循环稳定状态；应变幅为0.48%时，在前三个循环内存在循环硬化
的现象，3个循环后，基本处于循环稳定状态，应变幅为0.43%时，前4个循环
内是一个软化硬化状态，四个循环后，材料处于循环稳定状态。

由图1(b)可以看出，1000 ℃下，应变幅≥0.48%时，材料基本处于循环稳定状态；应变幅为0.40%时，材料呈现微弱硬化-循环稳定的状态。

图1(c)为1050 ℃下的循环应力状态：
应变幅0.38%～0.86%时，材料基本处于循环稳定状态；应变幅为0.29%时，材
料呈现微弱硬化-循环稳定的状态；应变幅为1.10%时，材料呈现微弱软化-硬化-循环稳定的状态。

图1中还出现应力突然下降的阶段，这种突然下降是由于经过
多次的循环变形，材料出现疲劳损伤而进入失稳扩展的阶段。

应变硬化现象与位错间相互作用有关，随着循环变形的进行，形成新的位错，导致位错密度增加，位错间相互排斥，使位错运动受阻，因此应力随循环变形的增加而不断增大[6-7]。

由
于疲劳变形时对应的塑性分量很小，以至于位错增值速率与位错湮灭速率之间很容易达到平衡，使得位错增殖引起的硬化效应与位错湮灭产生的软化效应彼此抵消，合金呈现循环稳定的状态[8-9]。

2.2 平均应力松弛
在循环塑性变形时，如果平均应变为正，则可能发生塑性安定(Plastic shake-down)。

循环变形时，平均应力降低，甚至可能降到零；这种应力松弛之所以可
能发生，是因为活跃的循环滑移引起了位错重排[10]。

图2给出了950 ℃，1000 ℃和1050 ℃下平均应力随循环周次的变化曲线，由图2可以看出，随着循环周次的增加，平均应力绝对值逐渐减小，直到接近于0；应变幅越大，首循环的平均应力越小，应力松弛速率越大；应变幅越小，首循环的平均应力越大，应力松弛速率越小；说明DZ408合金在该试验条件下存在塑性安定(Plastic shake-down)现象。

从图2还可以看出，随着温度的升高，平均应力松弛的速率加快。

2.3 Masing 特性
Masing 特性是材料疲劳过程中的特性，符合Masing 特性的材料，在应变疲劳试验过程中，不同应变幅的应力应变迟滞回线移至最低点重叠时，其上部应当重合。

不符合Masing 特性的材料称为非Masing 特性材料。

图3给出了950 ℃，1000 ℃和1050 ℃下半寿命的应力应变迟滞回线，将起点平移至原点，不同温度下循环迟滞回线的上部基本重合，说明DZ408在试验温度下基本符合Masing 特性。

2.4 温度对应变寿命的影响
温度的升高会对材料的低周疲劳性能产生一系列的影响，因此有必要研究温度对疲劳性能的影响，进而了解材料的抗疲劳性能。

图4为DZ408合金不同温度下的低周疲劳性能。

由图4可以看出，材料的低周疲劳寿命不仅取决于外加总应变幅的
大小，而且与温度密切相关。

总体来说，加载应变幅值越大，疲劳寿命越低。

从能量的角度来说，材料低周疲劳破坏时所需要的能量是一定的。

循环滞后环的面积代表材料塑性变形时所作的功，即塑性应变能，其宽窄或大小说明材料抗塑性变形的能力高低。

滞后环中的面积是每次循环所做功或能量的损失。

在材料疲劳破坏所需
的能量一定的情况下，滞后环的面积越大将导致材料疲劳破坏的疲劳寿命越短(见
图3)。

在加载总应变范围内，寿命随温度的升高而降低，材料的疲劳寿命随温度
的升高而降低的行为通常是和时间相关的损伤有关。

一般在高温时，与时间相关的损伤主要有两种，即蠕变与氧化，前者断口一般呈沿晶断裂的特征，后者是因为它加快了穿晶型裂纹萌生和扩展的速率。

2.5 寿命预测模型
经典的Manson-Coffin公式能够描述应变幅与疲劳失效反复数2Nf之间的关系，但该公式没有考虑平均应变或平均应力的影响；为了考虑平均应变的影响，Smith，Watson，Topper等[11]对Manson-Coffin公式进行了修正，得到了SWT模型，见下式：
式中为疲劳强度系数，为疲劳延性系数，2Nf为断裂时加载反向数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，E为弹性模量。

如果没有R=-1时的数据，式(1)参数计算复杂，为简便起见，参考文献[12-13]，提取(1)中的SWT参数σmax，建立σmax∝N的关系式，得到修正SWT方程：
式(2)中a，b为待定参数，用式(2)对不同温度下的试验数据进行拟合，结果见图5，得到不同温度下的修正SWT关系式：
相关系数均在0.98以上，说明修正的SWT模型能很好的预测DZ408合金测试温度范围内的试验结果。

分析修正SWT模型参数a，b与温度的关系，发现两者与温度均成线性关系，见
图6和图7，将它们的关系式带入修正的SWT模型，得到包含温度影响的修正SWT关系式：
(1)当平均应变为正时，DZ408合金在测试温度范围内会发生应力松弛的现象，
DZ408合金在该试验条件下存在塑性安定(plastic shake-down)现象。

(2)DZ408合金在950 ℃，1000 ℃和1050 ℃，应变比为0.05条件下具有
Masing 特性。

(3)修正的SWT方程能很好的表征DZ408合金不同温度下的应变寿命，包含温度影响的修正SWT方程为σmax=(-38.9+0.101T)N(0.96-0.0014T)。

【相关文献】
[1] 杨海青, 李青, 肖程波, 等. Re及时效时间对耐腐蚀镍基定向合金组织和持久寿命的影响[J]. 材料工程, 2015, 43(6): 31-37.
(YANG H Q, LI Q, XIAO C B, et al. Effect of Re and Aging Time on Microstructure and Stress Rupture Life of Corrosion Resistance Directionally Solidified Ni-base Superalloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(6): 31-37.)
[2] 刘金龙, 石多奇, 杨晓光, 等. 应变比对定向凝固高温合金DZ125低循环疲劳行为影响的研究[J].
材料工程，2010(12)：47-50.
(LIU J L, SHI D Q, YANG X G, et al. Study on Influence of strain ratio on low cycle fatigue behavior of directionally solidified superalloy DZ125[J],Journal of Materials Engineering, 2010(12), 47-50.)
[3] 谭永宁，黄朝晖，贾新云，等.一种新型定向凝固柱晶高温合金DZ408的研究[C]∥第十一届中国高温合金年会论文集.北京：冶金出版社，2007:389-394．
[4] 贾新云，谭永宁，张强，等.长期时效对定向凝固高温合金DZ8组织与性能的影响[J].材料工程，2009(增刊1)：279-281.
(JIA X Y, TANG Y N, ZHANG Q, et al. Effests of long-term exposure on microstructure and mechanical property of directionally solidified superalloy DZ8[J]. Journal of Materials Engineering, 2009(Suppl 1):279-281.
[5] 丁智平，陈吉平，尹泽勇，等. 非对称循环载荷下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测[J].航空材料
学报，2006，26(4):6-9.
(DING Z P, CHEN J P, YIN Z Y, et al .Low cycle fatigue life prediction of single crystal
nickel-based superalloys under asymmetrical cyclic loading[J].Journal of Aeronautical Materials，2006，26(4): 6-9.
[6] 王拴柱.金属疲劳[M].福州：福建科学技术出版社，1985.
[7] 张仕朝，于慧臣，李影.GH3044的高温低周疲劳性能研究[J].航空材料学报，2013，33(1)：100-104.
(ZHANG S C, YU H C, LI Y. Investigation on low cycle fatigue properties of superalloy
GH3044 at elevated temperature[J].Journal of Aeronautical Materials，2013，33(1)：100-104.
[8] 陈立佳，王中光，姚戈，等. 铸造Ni基高温合金K417的高温低周疲劳行为[J].金属学报，1999，35(11)：1144-1150.
(CHEN L J, WANG Z G, YAO G, et al. Investigation of high temperature low cycle fatigue properties of a casting nickel base superalloy K417[J].Acta Metallurgica Sinica，1999，35(11)：1144-1150.
[9] 刘维维，唐定中，李嘉荣，等. 抽拉速率对DD6单晶高温合金650 ℃低周疲劳性能的影响[J].航空材料学报，2012，32(2)：8-12.
(LIU W W, TANG D Z, LI J R, et al. Effects of withdrawing rate on low cycle fatigue properties of single crystal superalloy DD6 at 650 ℃[J].Journal of Aeronautical Materials，2012，32(2)：8-12.
[10]亚伯.斯海维. 结构与材料的疲劳[M]. 吴学仁，等译.北京：航空工业出版社，2014：132.
[11]SMITH K N, WATSON P,TOPPER T H. A stress-strain function for the fatigue of metals[J]. Journal of Materials,1970,5(4):767-778.
[12]FASH J, SOCIE D F. Fatigue behavior and mean effects in grey cast iron[J]. International Journal of Fatigue,1982, 4:137-142.
[13]LIN C K, PAI YL． Low-cycle fatigue of austempered ductile irons at various strain ratios[J]. International Journal of Fatigue,1999,21:45-54．。