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分享:用直流电压降法研究高温下 GH3230合金的 疲劳裂纹扩展行为

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浏览:- 发布日期:2022-10-14 15:06:12【

宋世杰1,袁 柯2,梁振宇3,叶序彬1,李 钊

(1.中国航发北京航空材料研究院,北京 100095;2.力机械研究所,株洲 412002; 3.北京航空航天大学,100191

摘 要:采用直流电压降法对 GH3230合金进行了高温下的疲劳裂纹扩展试验,分析了温度及 应力强度因子对 GH3230合金疲劳裂纹扩展速率的影响,并利用扫描电子显微镜对断口进结果表明:在相同的应力强度因子下,随着温度的升高,合金的裂纹扩展速率增大;温度750 升高到850 ,,850 950 ,裂纹扩展速率相差不大,,裂纹;断口表面可知,在裂纹扩展区和瞬断区,断口表面呈现典型的疲劳辉纹和韧窝特征,随着温度的升 ,断口表面的氧化物颗粒增多,裂纹扩展区的疲劳辉纹不明显

关键词:直流电压降法;GH3230合金;

中图分类号:TL341 标志码:A 章编:1001-4012(2022)04-0023-04

镍基高温合金具有优异的性能,在整个高温合 金领域占有重要的地位GH3230合金是我国自研制的新一代镍-铬基固溶强化型变形高温,化学成分简单,具有高强度可焊接抗氧特点, 可用于制备900以下长期使用的航空发动机燃烧室部件和其他高温环境中服役的零部件[1]。 

某型发动机的数台火焰筒气膜唇边和掺混孔均 检测出了裂纹和掉块,在飞行过程中可能会威胁飞 行安全,严重影响发动机的使用寿命,使发动机的大 修周期显著缩短发动机反复起动和停车使得火焰 筒承受大小方向随时间变化的循环交变载荷,这是 引起火焰筒产生裂纹和掉块的主要原因[2]为了保 障航空发动机的服役安全,研究火焰筒材料在服役 条件下的疲劳裂纹扩展行为具有重要意义,而国内 目前针对 较少GH3230合金高温裂纹扩展行为的研究 

笔者利用直流电压降法对 GH3230 合金开展 750,850,950 下 的 疲 劳 裂 纹 扩 展 试 验,得 到 GH3230合金稳定裂纹扩展区的 Paris拟合公,采用断口定量反推的方法对得到的试验结果进行验 ,进一步分析了不同温度对材料裂纹扩展速率的 影响采用扫描电子显微镜(SEM),了合金的断裂模式及损伤机理,研究筒的安全可靠应用和寿命预测提供试验基础和理论 支持。 


1 试验方法 

1.1 化学成分分析及拉伸试验方法

机燃GH3230 合金纹扩,,1所示由表 1 可知,与其他高温合金相比,GH3230合金试样中加入了大量的钨元素,钨元素 溶解于γ基体中,少量进入碳化物中

GH3230 1 ,由图 1 可 知,6.5,M23C6(的总称),,纹的延晶扩 展速率

GH3230合金试样在750~950 下的拉伸试验 结果(每个温度点测试7根试,)2高温拉伸试验依照 HB51951996伸试验方法进行由表2可知,750~950 , 随着温度的升高,GH3230合金的抗拉强度度均减小,断面收缩率断后伸长率均增大,弹性模量 750850 时相差不大,甚至在850 ,950℃时的弹性模量明显减小,表明950 时材料的刚度降低,原子间结合力变弱


1.2 疲劳裂纹扩展试验方法 

疲劳裂纹扩展试样采用标准紧凑拉伸试样,度为50mm,厚度为12.5 mm,试样的宏观形貌如 2所示一般采用传统的显微镜来测量疲劳裂纹长度,种方法直观简单成本较低,但是在高温下,需采用 长焦距显微镜测量裂纹长度,而试样表面的氧化程度 很高,很难看清裂纹,容易带来人为测量误差,因此采 用直流电压降法对试样的裂纹长度进行测量


直流电 压 降 法 测 量 裂 纹 长 度 (DCPD)的 原 理 :, 使验过程中,随着裂纹的扩展,导通截面不断缩小,阻不断增加,在恒定电流下,裂纹面两端的电位或电 压降将随裂纹尺寸的增加而增加利用裂纹面两端 的电位差与裂纹扩展长度之间的函数关系,将所测 量的电位转换成等效的裂纹长度对于紧凑拉伸试 ,裂纹长度计算方法如式(1)a/w = 2 π π 2 -arctan Z 1-Z 2 ?? ?? ?? ?? (1) 其中 Z = e 2Yπ 4w +e - 2Yπ 4w e (U*X)+e -(U*X) (2) X = ln e 2Yπ 4W +e - 2 4 Y W π 2cos a0π 2W ?? ?? ?? ?? + e 2Yπ 4W +e - 2 4 Y W π 2cos a0π 2W ?? ?? ?? ?? 2 -1 ?? ?? ?? ?? ?? ?? (3) 式中:a 为试样的裂纹长度;W 为试样宽度;U 前试样裂纹面两端的电位;2Y 为裂纹面两端测量电 位点间的距离;a0 为试样的初始裂纹长度依据标准 GB/T63982000金属材料疲劳纹扩展速率试验方法的要求进行试验,试验设备 :MTSlandmark370 型 电 液 伺 服 疲 劳 试 验 机, Flextest40型控制系统,MTSDCPD压测量系统,试验机载荷传0.5,为正 弦 波,频 率 为 10 Hz试 验 温 度 750,850, 950 ,在每个温度下测试3个试样


2 试验数据处理及结果分析

2.1 疲劳裂纹扩展性能 

疲劳裂纹扩展速率是反映有裂纹的构件抗疲劳 断裂性能的一个重要指标,也是估算构件剩余疲劳 寿命必不可少的参数,一般使用应力强度因子幅度 ΔK 来定量描述疲劳裂纹扩展速率完整的疲纹扩展速率曲线包括3部分:近门槛区裂纹展区和裂纹快速扩展区(瞬断区)。Paris公式适用于稳态扩展区,通常用来表征稳态扩展阶段的疲劳 裂纹扩展速率,如式(4)所示da/dN =C(ΔK)n (4) 式中:C,n 为拟合常数;N 为循环次采用割线法对裂纹扩展试验数据进行处理,确定裂纹扩展速率,采用 Paris公式对裂纹扩展速 率进行拟合,得到 GH3230扩展阶段的da/dNK ,3。 


,,,降低,,,沿的塑性变形增加,循环载荷下裂纹塑性区内的变 ,,,

,750 850 ,ΔK ,;850 950 ,种材裂纹速率子下 ,ΔK ,750 850 ,扩展,850 950 ,因子 的变化对疲 劳 裂 纹 扩 展 速 率 起 到 了 更 大 的 作 用, 950 ,3 GH3230合金在不同温度下的裂纹扩展速率

GH32303所示,3,950 GH3230试 样 的 抗 断 裂 性 能 也 急 剧 下 降,ΔK 约 为 15MPa·m 1 2 ,其 已 接 近 断 裂;而 在 750 850 ,ΔK 25MPa·m 1 2

2.2 口特

GH3230合金试样疲劳裂纹扩展断口微观形貌 如图4所示,断口可分为裂纹稳态扩展区和瞬断区在疲劳裂纹扩展试验中,试样受交变应力循环加载, 裂纹尖端存在晶体沿某些特定易滑移面滑移, 导致辉纹,在交变载荷作用下,以疲劳辉形式不断扩展,有效承载面积不 断减小,直至试样最终断裂由图4a)~4c)可知:3,,度越,;,展加速从图4d)~4f)可知,瞬断区断口表面粗糙, 呈现典型的韧窝特征,韧窝里有破碎的碳化物颗粒


3 结论

(1)在温度为 750~950 ,随着温度的升 ,GH3230弹性模量 均减小,。 

(2)GH3230升高而增大,750850,明显;850950℃,小应 力强度因子水平下差距较小,在大应力强度因子下, 950 850 (3)GH3230为裂纹稳态扩展区和瞬断区,,表面的氧化物颗粒越多,裂纹扩展区疲劳辉纹越不 明显;在瞬断区都表现为明显的韧窝特征,韧窝内有 破碎的碳化物颗粒

参考文献: [1] ,./[J].,1999,12(1):40- 43. [2] 郭运强,,,.裂纹扩展规律[J].航空制造技术,2006,49(12):80- 82.

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