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。     

DZ125高温合金断裂特征

对DZ125定向凝固高温合金的室温、高温拉伸,高温低周、高周疲劳,以及疲劳/蠕变交互断裂特征进行了研究。结果表明:DZ125合金室温、高温拉伸断口具有类解理断裂、韧窝断裂和沿枝晶断裂的混合特征,断裂机制为中心微孔聚集型断裂;高温低周疲劳断裂断口与主应力方向垂直;高温高周疲劳断裂断口疲劳裂纹扩展第一阶段表现为类解理小平面和平行锯齿状断裂特征。低周/蠕变交互断裂特征与相同条件下低周疲劳断口主要存在3方面差异:疲劳扩展区面积明显减小;断口上的撕裂棱线较多且相互连接;断口上氧化严重,特别是在疲劳扩展区,存在明显的致密氧化层。     

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。     

DD6单晶高温合金低周疲劳断裂特征的研究

对DD6单晶高温合金在高温低周(980℃、760℃)及疲劳/蠕变交互作用的断裂特征进行了研究。结果表明:DD6单晶高温合金高温低周疲劳断口往往呈多源开裂特征,裂纹萌生于试样的表面或亚表面,疲劳裂纹在刚萌生时沿着一定的小平面进行扩展,扩展区主要由垂直于裂纹扩展方向的疲劳条带和河流花样组成,瞬断区为类解理台阶形貌,裂纹扩展初期断口基本与主应力方向垂直,随着疲劳裂纹的扩展,断口呈现与主应力约成45°的平面特征;低周疲劳/蠕变交互作用的断裂特征与相同应变条件下低周疲劳断口总体形貌相似,但也一些不同之处,如断口整体氧化严重、疲劳扩展区面积明显减小。     

第二代单晶高温合金DD6的高周疲劳行为

研究Hf含量为0.34%和0.10%Hf的第二代单晶高温合金DD6在700℃的高周疲劳行为:采用扫描电镜对疲劳裂纹的萌生与失效机制进行分析,采用透射电镜研究变形后的显微组织.结果表明:含0.34%Hf的DD6合金比含0.10%Hf的合金的疲劳寿命稍有降低;疲劳裂纹萌生于试样表面、亚表面,沿{111}面扩展,而并不沿垂直应力轴方向扩展;断口上有典型的疲劳条带;Hf含量为0.34%和0.10%的DD6合金的高周疲劳断裂机制为类解理断裂.透射电镜分析表明,合金在循环变形中形成了不同形式的位错.     

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。     

IN718镍基高温合金的热机械疲劳性能

对IN718镍基高温合金进行温度循环为350～650℃及不同应变幅条件下的同相(IP)和反相(OP)热机械疲劳试验;比较同相和反相的热机械疲劳循环应力响应行为、滞后回线以及疲劳寿命;运用金相显微镜、扫描电子显微镜对材料的微观结构以及断口特征进行分析。结果表明:IN718合金的热机械疲劳应力-应变滞后回线最大拉应力与压应力不对称,表明合金在350～650℃范围内高温时抵抗变形阻力较小;合金的循环应力响应行为在低应变幅的同相热机械疲劳的高温半周呈现循环硬化现象,其余情况均为循环软化现象;合金的同相热机械疲劳寿命明显低于反相热机械疲劳寿命,合金热机械疲劳寿命在应变幅超过0.6%的条件下符合Coffin-Manson方程,在应变幅0.4%的情况下实际疲劳寿命值偏高;IN718合金的同相热机械疲劳的疲劳源处断口为沿晶断裂,反相热机械疲劳的为穿晶断裂,裂纹扩展区和瞬断区均为韧窝断裂。     

ZL101A合金低温疲劳性能和断裂行为研究

研究了ZL101A合金的低温拉伸性能和低温疲劳性能,对断口形貌进行了观察,分析了疲劳断裂的微观机制。结果表明:服役温度对合金疲劳寿命及断裂机制有显著的影响。随着服役温度的降低,合金疲劳寿命提高。室温条件下断口主要以穿晶断裂为主,同时伴随局部沿晶断裂特征,而-40℃条件下合金断裂行为表现出较强的晶体学裂纹特征。与室温相比,合金在低温下的疲劳断口瞬断区面积增大,粗糙度有所升高。而相同温度下,合金随着应变幅的增加,合金低温疲劳的断口粗糙度有所降低。     

第二代单晶高温合金高周疲劳行为研究

研究了[001]取向第二代单晶高温合金(DD6和DD5)在760和980℃条件下的高周疲劳行为,并对比分析了DD6与DD5合金的高周疲劳性能。结果表明:DD6合金高周疲劳性能优异,760和980℃条件下10~7 cyc疲劳极限分别为414和403 MPa;2种合金的高周疲劳断裂机制均为类解理断裂;应力幅较低时,位错以弓出和交滑移的方式在γ基体通道中滑移;应力幅升高时,出现位错对剪切γ'相。DD5合金C含量是DD6合金的8倍,使其碳化物含量远高于DD6合金,且二者碳化物形态存在显著差异;在DD5合金疲劳断裂过程中,碳化物既是二次裂纹的萌生位置,又是裂纹的扩展通道,显著加快了疲劳裂纹扩展速率,明显降低了合金的高周疲劳性能。     

冷坩埚定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的拉伸与高周疲劳性能研究

采用冷坩埚定向凝固技术制备了定向柱状晶的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金铸锭,在改变抽拉速率的情况下,所获得的铸锭具有不同片层间距的全片层组织.通过拉伸性能实验,测得其室温极限抗拉强度最高达到652 MPa,伸长率最大达到1.5%,而高温极限抗拉强度最高达到490 MPa,伸长率最大达到5.0%.通过高周疲劳性能实验,绘制了抽拉速率分别为1.0和1.2 mm/min时定向凝固合金的应力-循环次数(S-N)曲线以及应力比R为0.1时的疲劳极限值.对比断口形貌分析表明,室温时试样拉伸断裂方式为脆性断裂,而经高周疲劳实验后断裂方式为脆性解理断裂;高温时试样拉伸断裂方式则为大部分脆性断裂与少部分延性断裂并存.对高周疲劳试样断口的分析表明,疲劳裂纹在相界面和B2相附近萌生,据此基于塑性钝化理论分析了其裂纹扩展机制,并绘制了高周疲劳裂纹扩展模式图.     

Effects of the Electron Beam Welding Process on the Microstructure,Tensile, Fatigue and Fracture Properties of Nickel Alloy Nimonic 80A

The purpose of this study was to evaluate rotary bending high-cycle fatigue properties and crack growth of Nimonic 80A-based metal and electron beam-welded joints. All the tests were performed at room temperature. Fracture surfaces under high-cycle fatigue and fatigue crack growth were observed by scanning electron microscopy. Microstructure, hardness and tensile properties were also evaluated in order to understand the effects on the fatigue results obtained. It was found that the tensile properties, hardness and high-cycle fatigue properties of the welded joint are lower than the base metal. The fracture surface of the high-cycle fatigue shows that fatigue crack initiated from the surface under the high stress amplitude and from the subsurface under the low stress amplitude. The effect of the welding process on the statistical fatigue data was studied with a special focus on probabilistic life prediction and probabilistic lifetime limits. The fatigue crack growth rate versus stress intensity factor range data were obtained from the fatigue crack growth tests. From the results, it was evident that the fatigue crack growth rates of the welded are higher than the base metal. The mechanisms and fracture modes of fatigue crack growth of welded specimens were found to be related to the stress intensity factor range ΔK. In addition, the effective fatigue crack propagation thresholds and mismatch of welded joints were described and discussed.     

应变波形对Inconel 625合金低周疲劳性能的影响

在650℃以及拉压对称三角波(TR)、慢拉快压锯齿波(ST)和快拉慢压锯齿波(FT)3种应变波形下对Inconel625合金进行了低周疲劳实验,研究了合金在不同应变波形下的低周疲劳变形与断裂行为。结果表明:3种应变波形加载条件下,合金在0.3%～0.7%的外加总应变幅下均呈现循环硬化,其中在ST下的循环应力幅最高;采用锯齿波形时,由于拉伸蠕变分量和压缩蠕变分量的引入造成合金的疲劳寿命缩短;此外,合金的循环应力和应变之间呈现单斜率线性关系,且其塑性应变幅与弹性应变幅和疲劳寿命之间亦呈线性关系。利用扫描电子显微镜对Inconel625合金在3种加载波形下的低周疲劳断口形貌进行观察,结果表明,Inconel 625合金的疲劳裂纹萌生和扩展均是以穿晶方式进行的。     

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.     

DZ125定向凝固合金的薄壁持久蠕变性能与断裂行为

采用薄壁试样研究高温试验条件下，试样壁厚对DZ125定向凝固合金向持久性能及其断裂特征的影响规律。结果表明:不同壁厚试样的持久寿命明显低于标准试样，表现出显著的薄壁效应，并且壁厚和持久寿命间存在明显的线性关系；薄壁试样持久断口边缘区域氧化严重，内部区域为微孔聚集型断裂；合金薄壁试样的持久断裂模式为“表面氧化－裂纹萌生－扩展”和“内部蠕变损伤”共同作用；合金在950 ℃/197 MPa下的蠕变性能表明，圆棒试样寿命明显高于薄壁试样寿命，0.6 mm厚度的薄壁试样寿命约为圆棒试样的50%，1.1 mm厚度的薄壁试样寿命约为圆棒试样的80%。     

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。     

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。     

LOW CYCLE FATIGUE BEHAVIOR OF AZ91HP ALLOY IN AS HIGH PRESSURE DIE CASTING

1. IntroductionDue to comparable strength and price, and lower density, magnesium alloys are replacing aluminum alloys as construction materials, especially ill automobile illdustry. N()wadays, the amount of magnesium for die-casting, 70% of which will be using ill the c;trproduction, is increasing with an average rate of 15% in the world, 30% in Nortll Anleri(.aand 60% in Europe[1--5] each year.Ogarevic and Stephensl6] indicated that a significant amount of stress--life (S-N) 1behavior data…