直接時效GH4169合金疲勞斷口分析研究

  據統計,機械構件中疲勞失效占50%~90%,航空構件中占80%以上,因此,在航空領域對疲勞失效斷口的分析研究尤為重視。

  GH4169合金是一種鎳基變形高溫合金,被廣泛用在渦輪盤、渦輪軸、壓氣機葉片等部件上,這些部件往往工作在高溫、高載荷等復雜環境下,在這種服役條件和環境下,材料的疲勞性能往往是直接影響其使用壽命的重要因素。

  鑒于此,科研人員研究了直接時效(DA)GH4169合金的650℃和室溫條件下不同應力集中敏感系數的旋轉彎曲疲勞試樣的疲勞斷口,通過對疲勞源、疲勞擴展區和疲勞瞬斷區的研究,了解直接時效GH4169合金不同應力集中敏感條件下的疲勞失效機制。

  實驗材料為GH4169(DA)合金材料。由優質GH4169合金在1600t水壓機上進行90mm方料鍛制,并經鍛后時效處理:720℃/8h/以50℃/h爐冷+620℃/8h空冷。采用掃描電鏡對GH4169(DA)合金在室溫和650℃下的光滑(應力集中敏感系數Kt=1)和缺口(應力集中敏感系數Kt=3、4)旋轉彎曲疲勞試樣斷口進行了研究。試驗結果如下:

  (1)GH4169(DA)合金室溫旋轉彎曲疲勞試樣(Kt=1)疲勞斷裂在大應力狀態下具有多源疲勞斷裂特征,在低應力狀態下則具有單源疲勞斷裂特征。但不論多源還是單源疲勞斷裂,疲勞裂紋均起始于表面加工缺陷處。

  (2)GH4169(DA)合金室溫旋轉彎曲疲勞試樣(Kt=3、4)疲勞裂紋起源于缺口根部的加工缺陷處,呈現多源特征。在高載荷下疲勞源數量較少,低載荷下疲勞源數量較多。隨疲勞載荷的逐漸降低,瞬斷區面積逐漸減小,瞬斷區的偏心距離逐漸增大,疲勞擴展區面積逐漸增大,疲勞源區的擠壓損傷逐漸加重,疲勞源區的臺階逐漸細小。

  (3)GH4169(DA)合金650℃旋轉彎曲疲勞試樣(Kt=1)疲勞斷裂均具有單源疲勞斷裂特征,疲勞裂紋起始于表面加工缺陷處。

  (4)GH4169(DA)合金650℃旋轉彎曲疲勞試樣(Kt=3、4)疲勞斷裂均起源于缺口根部加工缺陷處,呈多源疲勞斷裂特征。隨疲勞載荷的逐漸降低,疲勞源區逐漸平滑,可見疲勞弧線,疲勞擴展逐漸充分,瞬斷區面積逐漸減小,瞬斷區的偏心距離逐漸增大。

  (5)GH4169(DA)合金650℃旋轉彎曲疲勞試樣(Kt=1、3、4)疲勞斷口均有明顯氧化現象,疲勞裂紋源區氧化最嚴重,擴展區逐漸變色,瞬斷區由于氧化時間短,氧化較弱。隨著疲勞加載周次的增加,應力集中敏感系數的增大,氧化程度加劇。