DD6合金1100℃低周疲劳行为

DD6合金1100℃低周疲劳行为
张仕朝;李旭东;于慧臣;侯学勤
【摘要】The total strain-controlled low cycle fatigue(LCF)behaviors of a single crystal superalloy DD6 at 1100 ℃ for R= -1 and 0. 05 were investigated. The results of LCF tests indicated that the cyclic hardening
/softening behavior of the alloy not only has the re-lationship with the microstructure of the material,but also the loading status. The mean stress relaxation occurred under asymmetric straining. The rate of mean stress relaxation increased with the increasing of strain amplitude;when R= -1,the alloy shows tension-compression asymmetry behavior. All the LCF data obtain under various ratios were well correlated by three models for lifetime predic-tion,the precision rates predicted are fallen into the factor of ± 2 tim es scatter band.%研究了1100℃下镍基单晶高温合金DD6不同应变比(R=-1,0.05)下的低周疲劳行为.结果表明:材料的循环软化/硬化行为不仅与材料本身的微观结构有关,还与加载状态有关;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,且随着应变幅的增大,平均应力松弛速率增大;R=-1时,材料表现出拉压不对称性;采用三种不同的模型对不同应变比下的寿命进行表征,预测精度基本落在±2倍的分散带内.
【期刊名称】《航空材料学报》
【年(卷),期】2018(038)001
【总页数】6页(P95-100)
【关键词】单晶高温合金;低周疲劳;拉压不对称性;应力松弛
【作者】张仕朝;李旭东;于慧臣;侯学勤
【作者单位】中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室,北京100095;航空材料检测与评价北京市重点实验室,北京100095;材料检测与评价航
空科技重点实验室,北京100095;中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料
重点实验室,北京100095;航空材料检测与评价北京市重点实验室,北京100095;材
料检测与评价航空科技重点实验室,北京100095;中国航发北京航空材料研究院先
进高温结构材料重点实验室,北京100095;航空材料检测与评价北京市重点实验室,
北京100095;材料检测与评价航空科技重点实验室,北京100095;中国航发北京航
空材料研究院先进高温结构材料重点实验室,北京100095;航空材料检测与评价北
京市重点实验室,北京100095;材料检测与评价航空科技重点实验室,北京100095【正文语种】中文
【中图分类】TG146.1+5
镍基单晶高温合金因其优越的高温抗疲劳和抗蠕变性能，已成为制造航空涡轮发动机热端部件的重要材料。

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低周(low cycle fatigue)疲劳破坏。

DD6是我国自主研制成功的低成本第二代单晶高
温合金，其主要性能已达到或部分超过国外广泛应用的第二代单晶合金的性能水平，且因其含铼量低而具有低成本优势，具有良好的应用前景[1]。

文献[2]研究了热等
静压制度对DD6单晶显微组织和力学性能的影响；文献[3]研究了抽拉速率对
DD6单晶高温合金650 ℃低周疲劳性能的影响，李影等研究了取向[4]、拉伸保载
[5]对DD6单晶高温合金低周疲劳寿命的影响。

研究者对单晶合金的寿命预测模型还进行了探讨[6-7]，但上述研究基本上是基于应变比R=-1下的数据进行的，对
R≠-1情况下的低周疲劳性能研究还很少。

单晶涡轮叶片工作时主要承受非对称循环载荷[8]，基于此，本工作主要对DD6合金[001]取向在1 100 ℃，应变比R=-1，0.05条件下的高温低周疲劳性能进行测试，在此基础上对其应力应变响应行为，应变寿命关系等进行分析。

1 试验材料及方法
在真空感应定向凝固炉内采用籽晶法制备[001]取向的DD6单晶试棒。

按照标准
热处理工艺对晶体取向合格的DD6合金单晶试棒进行热处理，热处理制度为：1290 ℃/1 h+1300 ℃/2 h+1315 ℃/4 h，空冷+1120 ℃/4 h，空冷+870 ℃/32 h，空冷。

随后加工成直径为6 mm，标距为12 mm的低周疲劳试样；低周疲劳
试验是在MTS809液压伺服疲劳试验机上进行。

试验用轴向应变控制，引伸计标
距为12 mm，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)=-1，0.05，试验温度为1100 ℃，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。

试验数据的采集由计算机完成，各个试验均进行至试样断裂。

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。

采用JSM5600LV扫描电镜对断口形貌进行观察。

2 试验结果与分析
2.1 循环应力响应曲线
图1和图2分别为DD6合金1100 ℃应变比为-1和0.05时的循环应力响应曲线。

由图1可以看出，应变幅为1.1%时，表现为初始循环硬化，而后循环软化的趋势，应变幅为0.9%和0.5%时，表现出轻微循环软化的特征，应变幅为0.35%和
0.30%，表现出轻微循环硬化的特征。

由图2可以看出，应变比为0.05时，在高
应变幅0.95%时，表现为初始循环硬化，而后循环软化的趋势，在中间应变幅0.618%和0.475%时，基本处于循环稳定的状态，应变幅低于0.38%时，应力反映为软化-硬化-稳定的特征。

对不同应变比下应力范围-循环周次曲线的比较可以得到：材料的循环硬化/软化特征不仅与应变幅有关，还与加载状态有关。

应变硬化现象与位错间相互作用有关，位错首先发生在γ相基体通道中，位错的增值使得位错之间、位错与析出强化相γ′之间发生不同程度的交互作用，对位错运动产生了一定的障碍，因此应力随循环变形的增加需求不断增大；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。

图1 R=-1时低周疲劳循环应力响应曲线Fig.1 Cyclic stress response curves of DD6 superalloy at R=-1
图2 R=0.05时低周疲劳循环应力响应曲线Fig.2 Cyclic stress response curves of DD6 superalloy at R=0.05
2.2 拉压不对称性
低周疲劳过程中的拉压不对称性行为，是指在等应变(应变比R=-1)条件下拉伸载荷σt和压缩载荷σc不相等，包括σt>σc和σt<σc两种情况。

镍基单晶高温合金在单向载荷下会表现出较复杂的反常屈服行为，比如随着温度的升高，屈服强度增加到某个峰值后急剧下降，抗拉强度和压缩强度存在与取向有关的不对称性。

图3为DD6合金[001]取向1100 ℃应变比为-1时不同总应变幅下循环周次与各周次内最大拉伸载荷σt及最大压缩载荷σc之间的对应关系，图中每一种形状符号代表一种总应变幅，黑颜色代表最大拉伸载荷，红颜色为最大压缩载荷。

由图3可以看出，本实验条件下，最大拉伸载荷与最大压缩载荷相对关系分以下几种情况：应变幅为0.5%时，两种最大载荷基本为对称，应变幅低于0.5%时即0.35%和
0.30%，表现出拉伸载荷小于压缩的情况，对于大的应变幅1.1%和0.9%，总体表现出拉伸载荷大于压缩的现象。

σt>σc的现象可用LCP模型[9]来解释，该模型认为应力状态影响位错在γ′相粒子中的运动方式，从而造成σt>σc的情况。

Jiao等[10]提出了层错模型，认为应力状态会影响层错在γ′相粒子中的形成过程和层错宽度，从而造成σt<σc的拉压不对称行为。

图3 1100 ℃应力寿命曲线(R=-1)Fig.3 stress vs life curves of DD6 superalloy at R=-1
2.3 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[11]。

图4给出了1100 ℃下平均应力随循环周次的变化曲线。

由图4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DD6合金在应变幅为0.2%～0.62%条件下存在塑性安定(plastic shake-down)现象。

图4 DD6平均应力寿命曲线(R=0.05)Fig.4 Mean stress vs life curves of DD6 superalloy at R=0.05
2.4 应变寿命曲线
对于低周疲劳寿命预测主要通过将应变范围与疲劳寿命循环次数建立关系，典型的Manson-Coffin低周疲劳寿命预测模型为：
(1)
式中：Δεt/2为总应变幅；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。

该模型是应变寿
命关系的基本形式，适合于对称循环载荷下寿命预测；但对于非对称循环载荷，模型本身没有考虑平均应力及应力比的影响。

为考虑平均应力的影响，Morrow[12]对该方程进行了平均应力修正。

Smith等[13]在裂纹扩展平面中用临界平面法提出了SWT模型，具体表达式为：
(2)
式中：a和b为待定参数。

文献[8]中为了考虑非对称循环载荷对疲劳寿命的影响，引入应力幅和最大应力值
的参量，表示如下：
(3)
文献[14]在参考文献[8,13]的基础上，提出了一种考虑应变范围、应力范围、最大
应力和应变比的低周疲劳经验模型，如下式所示：
(4)
式中：σmax为最大应力;Δσ为应力范围;Δε为应变范围;Rε为应变比;N为疲劳循
环数;α和β为材料参数。

考虑不同取向的影响，模型中引入了晶体取向函数。

文献[15]提出用晶向函数修正总应变范围，并考虑最大应力、平均应力、应力范围及峰值保载等载荷因素对寿命的贡献，在循环累积损伤(cyclic damage accumulation， CDA)的基础上发展了一种低循环疲劳/蠕变寿命预测方法。

本研究采用SWT模型、CDA模型和文献[13]提出的经验模型对DD6合金1100 ℃不同应变比下的低周疲劳数据进行拟合，预测结果见图5～图7。

数据点基本落在±2倍的分散带内，说明修正的三种模型都能较好地表征DD6合金1100 ℃时不
同应变比下的低周疲劳寿命。

图5 SWT模型寿命预测结果Fig.5 Comparison of life prediction by modified SWT model
图6 CDA模型寿命预测结果Fig.6 Comparison of life prediction by modified CDA model
图7 经验模型寿命预测结果Fig.7 Comparison of life prediction by modified empirical model
工程上常用一种寿命预测模型对试验数据的相关能力来评定该模型的预测能力。

试验数据的相关能力可用分散带(表明预测寿命和观测寿命的偏离程度)2个统计量来
表示。

分散带通常定义为预测寿命与观测寿命的比值或观测寿命与预测寿命的比值之中的最大值，即
Sb=max(Nob/Npre,Npre/Nob)
(5)
标准差则定义为：
(6)
式中:Nob为观测寿命;Npre为预测寿命;n为数据点总数。

三种模型预测能力如表
1所示。

由表1可以看出，CDA模型预测结果优于其他两个模型。

表1 寿命预测能力评估结果Table 1 Evaluation results of life predictionModelScatterbandStandarddeviationSWTmodel1.760.12CDAmo del1.300.08Empiricalmodel1.640.14
2.5 疲劳断裂特征
图8为DD6合金应变比R=-1时高应变短寿命时疲劳断口形貌。

由图8可以看出，断口可分为3个区：裂纹源区(1区)、扩展区(2区)和瞬断区(3区)，整个断口呈青
蓝色；高应变时，断口为斜断口，基本与加载方向呈45°方向，见图8(a)；裂纹源区位于端边表面，线源特征，见图8(b)。

裂纹快速扩展区呈台阶状特征，见图
8(c)；瞬断区可见韧窝状特征，见图8(d)。

图8 DD6合金1100 ℃应变比R=-1时高应变短寿命时断口形貌特征
(εmax=0.9%，Nf=170) (a)宏观断口;(b)源区;(c)扩展区;(d)瞬断区Fig.8 LCF fracture morphology of DD6 superalloy at 1100 ℃ (high strain R=-1，
εmax=0.9%，Nf=170) (a)macromorphology;(b)origin zone;(c)crack propagation zone;(d)fracture zone
图9为DD6合金应变比R=-1时低应变长寿命时疲劳断口形貌。

由图9可以看出，宏观断口与图8相似，断口可分为3个区：裂纹源区(1区)、扩展区(2区)和瞬断
区(3区)，整个断口呈青蓝色；低应变时，断口为平断口，见图9(a)；裂纹源区位于端边表面，线源特征，见图9(b)；裂纹快速扩展区较平坦、可见断裂棱线及沿
碳化物开裂的特征，见图9(c)；瞬断区较粗糙、可见韧窝状特征，见图9(d)。

3 结论
(1)材料的循环软化/硬化行为不仅与材料本身的微观结构有关，还与加载状态有关。

图9 DD6合金1100 ℃应变比R=-1时低应变长寿命时断口形貌特征
(εmax=0.3%，Nf=13133) (a)宏观断口;(b)源区;(c)扩展区;(d)瞬断区Fig.9 LCF fracture morphology of DD6 superalloy at 1100 ℃ (low strain R=-1，
εmax=0.3%，Nf=13133) (a)macromorphology;(b)origin zone;(c)crack propagation zone;(d)fracture zone
(2)R≠-1时，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DD6合金在该试验条件下存在塑性安定(plastic shake-down)现象。

(3)DD6合金[001]取向1100 ℃应变比R=-1时存在拉压不对称性。

(4)采用的三种模型均能对不同应变比下的疲劳寿命进行预测，预测精度在±2倍的分散带内。

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