镍基单晶高温合金530 ℃低周疲劳性能及断裂机制

对镍基单晶高温合金在530℃的低周疲劳断口及断裂损伤机制进行研究。结果表明：在530℃时,单晶高温合金低周疲劳裂纹一般萌生于试样表面、亚表面或内部。亚表面存在铸造缺陷时裂纹从缺陷处起源。在大应变幅（>0.85%）条件下,合金在疲劳循环过程中表现出明显的循环硬化行为,应变幅低于0.85%时循环应力响应曲线基本趋于稳定。镍基单晶高温合金主要通过滑移产生变形,在530℃合金主要通过八面体滑移机制进行断裂,主滑移系为{111}<110>。分析断口特征可知,断口在源区附近未见明显塑性变形,稳定扩展区可见疲劳条带特征,快速扩展区在滑移台阶处存在大量交叉滑移带。通过电子背散射衍射分析发现,不同滑移面交界处的断口表面存在明显塑性变形,靠近断口表面的γ基体及立方γ’相变形严重。该温度下疲劳断口表面未见明显氧化特征。     

K40S钻基高温合金的高温低周疲劳行为Ⅱ.疲劳断口分析

研究了K40S钴基高温合金在700℃和900℃温度条件下由应变控制的高温低周疲劳行为,对疲劳断口形貌进行观察,结果表明:在高温低周疲劳加载条件下,K40S合金疲劳裂纹萌生机制为表面滑移带开裂与表面碳化物相界面开裂的综合作用;疲劳裂纹萌生与扩展方式为穿晶型,瞬断区呈现枝晶断裂特征;碳化物可作为障碍,阻碍疲劳裂纹的扩展,且为主要的二次裂纹策源地;K40S合金高温低周疲劳断裂为机械疲劳与高温环境氧化共同作用的结果.     

镍基单晶气膜孔模拟试样的低周疲劳断裂机理

采用镍基单晶合金DD6带不同数量激光加工气膜孔的薄壁平板模拟试样,对其在900℃下的低周疲劳性能进行了研究,并对试验数据和断口的SEM形貌进行了分析。结果表明:在相同的试验条件下,气膜孔的数量对低周疲劳的寿命影响很大,单孔试样的寿命约为密排多孔试样的10倍;气膜孔周围存在大量微裂纹,带气膜孔试样的破坏属于典型的多源断裂;对于单孔试样及密排多孔试样的中间孔,裂纹沿{001}面扩展;密排多孔试样的上下2排气膜孔周围的裂纹沿多个滑移面扩展。     

K40S钴基高温合金的高温低周疲劳行为——Ⅱ.疲劳断口分析

研究了K40S钴基高温合金在700℃和900℃温度条件下由应变控制的高温低周疲劳行为，对疲劳断口形貌进行观察，结果表明；在高温低周疲劳加载条件下，K40S合金疲劳裂纹萌生机制为表面滑移带开裂与表面碳化物相界面开裂的综合作用；疲劳裂纹萌生与扩展方式为穿晶型，瞬断区呈现枝晶断裂特征；碳化物可作为障碍，阻碍疲劳裂纹的扩展，且为主要的二交裂纹策源地；K40S合金高温低周疲劳断裂为机械疲劳与高温环境氧化共同作用的结果。     

DD6单晶合金气膜孔薄壁平板高温持久性能

在980℃/300 MPa条件下,对带气膜孔与无气膜孔的DD6单晶合金薄壁平板试样进行高温持久试验研究与有限元对比计算。结果表明:在相同名义应力条件下,带孔试样的高温持久寿命比无孔试样的高温持久寿命低,分别为69、90 h,气膜孔的存在破坏了试样的几何连续性,导致气膜孔周围应力集中为主要因素。通过断口宏、微观观察发现,无试样的断裂方式为微孔聚集型断裂,断口上分布着大量方形小平面特征;而带孔试样由于气膜孔改变了试样中的应力分布,在气膜孔附近产生了应力集中,当裂纹扩展至试样边缘,试样被瞬间剪断。基于晶体塑性理论建立了蠕变模型,将其编入ABAQUS的UMAT子程序中对带气膜孔和无气膜孔薄壁平板试样分别进行模拟分析,模拟结果显示与试样的断裂位置及形貌吻合,在工程应用条件下该模型是能用于薄壁平板的高温持久断裂寿命的预测。     

GH4169合金不同孔形气膜冷却孔疲劳性能对比分析

气膜冷却孔是航空航天高温部件常见冷却设计,但属于典型结构疲劳危险点。为了优化气膜冷却孔热-机械性能,本文通过疲劳试验和有限元建模分析,研究GH4169合金相同底孔尺寸下的气膜冷却孔疲劳性能。研究表明：相同底孔直径下,90°圆孔疲劳寿命远低于倾斜圆孔、扇形孔和扇形后倾孔;相同孔倾角下,孔形对疲劳寿命影响较小;90°圆孔发生单断口疲劳断裂,断口与加载方向基本垂直,而倾斜圆孔、扇形孔、扇形后倾孔在孔根部附近发生疲劳断裂,断口向孔轴方向倾斜,除主断口外在孔根部均出现亚断口;90°圆孔断口疲劳裂纹在孔壁中间萌生,而倾斜圆孔和扇形孔疲劳裂纹在孔口部位萌生,且呈现多源萌生特征;裂纹萌生区平整光滑,随着裂纹扩展断口表面韧窝明显增多;孔轴倾角和孔口形状对孔周应力分布及最大应力水平具有显著影响。     

CMSX-4单晶高温合金在不同温度下的低周疲劳行为

研究了单晶高温合金CMSX-4在中温760 ℃和高温950 ℃下的低周疲劳行为。结果表明：在760 ℃下合金具有较长的疲劳寿命和较高的疲劳强度,断裂后断面高度差大并与应力轴方向呈45°角,裂纹沿着{111}面扩展;而在950 ℃下合金具有较短的疲劳寿命和较低的疲劳强度,断面与应力轴垂直,裂纹沿着{001}面扩展。低周疲劳断口的扫描电镜结果表明, 760 ℃试样表面的微孔是主要的疲劳源,而950 ℃试样表面的氧化层是主要的疲劳源且呈现多源开裂。低周疲劳断口的透射电镜结果表明,中温760 ℃下位错具有的平面滑移和波状滑移的变形机制,是由位错的平面滑移向波状滑移转变的过程;而高温950 ℃下位错主要通过交滑移和攀移进行运动。     

单晶高温合金损伤与断裂特征研究

研究了单晶高温合金在持久、拉伸和低周疲劳条件下的损伤与断裂特征。结果表明:单晶合金高温持久微观断裂方式为沿原始微孔洞扩展的微孔聚集型断裂,中温持久微观断裂方式为微孔聚集型断裂与滑移剪切断裂共存的混合型断裂;高温拉伸首先在内部以微孔聚集型模式开裂,最后阶段以滑移剪切的方式发生断裂,微孔聚集型断裂过程占主要地位,中温拉伸以纯滑移剪切的方式发生断裂,断口由一个平面组成;低周疲劳断裂由裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展3个阶段组成。断口呈现多源开裂特征,疲劳裂纹一般萌生于表面。疲劳裂纹扩展初期断口基本与主应力方向垂直,随着疲劳裂纹扩展,断口表现为与主应力约成45°的平面特征。     

粉末冶金BeAl材料疲劳性能宏微观分析

用原位SEM观测研究了粉末冶金BeAl材料应力控制的疲劳机制.断裂时,低应力疲劳比高应力的平均累积塑性应变小得多.前者的累积塑性应变变化速率随着循环次数增大明显减小,后者则接近线性变化规律,表明高应力水平下的疲劳损伤累积更接近线性假设.低应力疲劳可从表面观测到一条疲劳主裂纹,由微观尺度下的累积塑性应变控制;高应力水平疲劳加载初期很快有宏观尺度的累积塑性应变,使Be与Al结合相界面同时产生较多裂纹.裂纹主要沿Al和Be结合强度较弱的表面路径扩展,随后沿纵深方向扩展,在材料内部裂纹扩展方向会变为与加载方向平行的Be基滑移面方向.当裂纹达到临界尺寸,局部塑性应变控制变为主应力方向控制,促使裂纹向前方扩展,宏观断口呈现出有层次的撕裂型.     

铸造镍基高温合金K445的热疲劳行为

利用开有V形缺口的平板试样，研究了新型铸造镍基高温合金K445在最高温度分别为800，850，900℃，最低温度为室温的热循环下的热疲劳行为．通过光学显微镜和扫描电镜观察合金的组织和热疲劳裂纹形貌，研究热疲劳损伤机制．结果表明，热疲劳主裂纹主要从V形缺口处萌生，沿晶界扩展，而二次裂纹则穿晶扩展．当最高循环温度为800℃时，碳化物的组成和分布起主要作用，（Ti，Ta）C型碳化物的开裂处以及碳化物与基体的界面处是裂纹优先扩展区域．当最高循环温度为900℃时，高温氧化起重要作用，应力辅助作用下的晶界氧脆是主要损伤机制．     

温度对N18(NZ2)合金循环变形行为的影响

研究了200、300、400℃温度下N18(NZ2)合金的循环变形行为,同时研究了室温和400℃低周疲劳行为.结果表明:N18(NZ2)合金低周疲劳寿命Nf随着塑性应变范围△εp的增加而降低,并遵循Coffin-Manson关系:Nβf△εp=C;N18(NZ2)合金在400℃高温下,其循环滞后回线出现锯齿状波形,即出现Portevin-LeChatelier效应.且在200、300、400 ℃下,合金表现出与常温下不同的循环特性,呈现出一致循环硬化的现象;在高温,N18(NZ2)合金疲劳断口局部出现韧窝型断裂,并出现细小的二次裂纹.大量二次裂纹的存在是400℃疲劳断口的主要特征.     

高压压气机转子叶片断裂分析

对断裂叶片进行材质和断口等综合分析，确认高压压气机Ⅰ、Ⅱ级叶片断裂的特征和失效模式，明确叶片断裂失效与材料的力学性能等冶金因素无关。结果显示:高压压气机Ⅰ级叶片断裂为疲劳断裂，为首断件和肇事件；Ⅱ级叶盘所有叶片均为大应力作用下的疲劳断裂，为受害件。Ⅰ级叶盘叶片断裂与承受较大的共振应力有关，属于结构设计问题。进一步的分析表明，压气机Ⅰ级叶盘叶片叶型厚度超差，使得K=3激起的一阶弯曲共振转速更靠近慢车转速区域。疲劳断裂叶片在裂纹萌生处存在明显的横向加工痕迹，降低了疲劳性能。叶片表面较明显的加工损伤对Ⅰ级转子叶片断裂起到一定的促进作用。     

20CrMnMo减速机高速轴断裂原因分析

某工程用20CrMnMo减速机高速轴在试运行过程中轴杆变截面处发生断裂。对高速轴进行宏观、微观断口分析,显微组织分析,力学性能测试等。结果表明：该高速轴的断裂形式为旋转疲劳断裂,轴表面的机加工损伤是导致其早期疲劳断裂的直接原因。热处理工艺不当造成的混晶和硬度偏低促进了裂纹的萌生,在服役过程中变截面位置应力集中,导致高速轴受交变载荷作用而发生断裂。     

TIME-DEPENDENT FATIGUE AND ITS MICROMECHANISM OF SUPERALLOY GH169 UNDER OXIDATION

The time-dependent fatigue and its micromechanism of superalloy GH169 at 650℃ have beenstudied.Under the same stress and duration,its cyclic life in Ar is shorter than that in air.Thedamage mechanism is mainly of the interaction between high temperature oxidation and fa-tigue.The fracture surface of GH169 specimen oxidized at 650℃ in air is revealed to be cov-ered with a dense and even oxide film,but in Ar,with uncontinuous oxide particles.As thetime prolonged,the Cr_2O_3 content in the surface oxides increases in air and decreases in Ar.     

单晶高温合金断裂特征

对单晶高温合金高温拉伸、低周疲劳、高周疲劳和持久断裂特征进行试验研究。结果表明：单晶高温合金高温拉伸断口具有类解理断裂与韧窝断裂的混合特征,断裂机制为中心微孔聚集型断裂。低周疲劳断裂在高应变幅下为多疲劳源,裂纹扩展初期断口与主应力方向垂直,随后疲劳裂纹沿特定晶体学平面扩展;在低应变幅下为单疲劳源,疲劳裂纹沿特定晶体学平面扩展。高周疲劳断裂为单疲劳源,在大应力下断口由多个相交的特定晶体学平面组成,应力较小时,断口由一个大的晶体学平面和瞬断区组成。疲劳裂纹在晶体学平面上扩展形成的疲劳条带间距很宽。高温持久断裂机制为微孔聚集型断裂,显微缩孔成为持久断裂的主要裂纹源。表面再结晶对高温持久断裂机制影响较小,但会使持久性能降低。     

FATIGUE CRACK PROPAGATION OF Ni-BASE SUPERALLOYS

Time-dependent Fatigue Crack Propagation (FCP) behaviors of five Ni-base superalloys were investigated at various temperatures under fatigue with various holding times and sustained loading conditions. The new concept of damage zone is defined and employed to evaluate the alloys‘ resistance to hold-time FCP. A special testing procedure is designed to get the maximum damage zone of the alloys. Udimet 720 and Waspaloy show shorter damage zones than alloys 706 and 718. The fractographieal analyses show that the fracture surfaces of the specimens under hold-time fatigue conditions are mixtures with intergranular and transgranular modes. As the extension of holding time per cycle, the portion of intergranular fracture increases, The effects of loading stress intensity, temperature, holding time, alloy chemisty, and alloy microstructure on damage zone and the crack growth behaviors are studied. Hold-time usually increases the alloy‘s FCP rate, but there are few exemptions. For instance, the steady, state hold-time FCP rate of Waspaloy at 760℃ is lower than that without hold-time. The beneficial effect of hold-time was attributed to the creep caused stress relaxation during the hold-time.     

Effects of Crystal Orientations on the Low-Cycle Fatigue of a Single-Crystal Nickel-Based Superalloy at 980 °C

The influence of crystal orientations on the low-cycle fatigue(LCF) behavior of a 3Re-bearing Ni-based single-crystal superalloy at 980 °C has been investigated. It is found that the orientation dependence of the fatigue life not only depends on the elastic modulus, but also the number of active slip planes and the plasticity of materials determine the LCF life,especially for the [011] and [111] specimens. The [011] and [111] specimens with better plasticity withstand relatively concentrated inelastic deformation caused by fewer active slip planes, compared to the [001] specimens resisting widespread deformation caused by a higher number of active slip planes. Additionally, fatigue fracture is also influenced by cyclic plastic deformation mechanisms of the alloy with crystal orientations, and the [001] specimens are plastically deformed by wave slip mechanism and fracture along the non-crystallographic plane, while the [011] and [111] specimens are plastically deformed by planar slip mechanism and fracture along the crystallographic planes. Moreover, casting pores,eutectics, inclusions and surface oxide layers not only initiate the crack, but also reduce the stress concentration around crack tips. Our results throw light upon the effect of inelastic strain on the LCF life and analyze the cyclic plastic deformation for the alloy with different orientations.     

一种定向高温合金在持久过程中的组织变化及其断口分析

本文用扫描电镜研究了DZ621镍基高温合金在1100℃／60MPa持久过程中的组织变化及其断裂后的断口形貌。结果表明,合金在持久变形中γ＇相在弹性能和外加应力作用下通过扩散形成垂直于拉应力方向的筏形。筏形方向与合金的错配度和外加应力的方向有关。合金经1220℃／4h／AC＋1150℃／4h／AC＋870℃／24h／AC热处理后,具有较好的持久性能。合金断口形貌表明,裂纹源于铸造缺陷和碳化物,并在持久过程中通过各小裂纹的连接扩展,导致合金最终断裂。断口表面出现许多形态和尺寸大小不均的韧窝,显示韧性断裂特征。     

Cr-Ni-Mo铸造热作模具钢热机械疲劳行为

研究了新型Cr—Ni—Mo铸造热作模具钢在应力控制下的热机械疲劳寿命、应力应变响应以及疲劳断裂特征。试验中发现，在相同的应力幅下，同相热机械疲劳寿命低于上限温度的等温疲劳寿命。疲劳过程中热作模具钢发生了循环软化和沿着拉伸方向的循环蠕变，热作模具钢的热机械疲劳裂纹往往穿晶萌生，沿晶扩展。     

固态输送ZrCl4低压化学气相沉积制备ZrC涂层的特征

采用ZrCl4-CH4-H2-Ar反应体系、固态输送ZrCl4粉末低压化学气相沉积(CVD)制备ZrC涂层。研究温度对低压化学气相沉积ZrC涂层物相组成、晶体择优生长、涂层表面形貌、断面结构、涂层生长速度和沉积均匀性等方面的影响。结果表明:不同温度下沉积的涂层主要由ZrC和C相组成;随着温度的升高,ZrC晶粒(200)晶面择优生长增强,颗粒直径增大,表面致密性增加,沉积速率上升;涂层断面结构以柱状晶为主;随着离进料口距离的增加,涂层的沉积速率逐渐减小;1 500℃时,沉积系统的均匀性比1 450℃时的差。