晶粒尺寸對GH4169鎳基合金疲勞小裂紋擴展的影響

　　目前，運用斷裂力學(xué)研究金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展時針對的都是幾毫米，甚至是幾十毫米的“長裂紋”。但是，由于近幾年損傷容限法則的建立，一些由疲勞失效控制的工程構(gòu)件，如航空發(fā)動機渦輪盤和葉片，它們的設(shè)計要求必須了解小尺度（裂紋長度從幾微米到2mm）疲勞裂紋（簡稱小裂紋）的擴展特征。美國材料試驗學(xué)會頒布的E647-00《疲勞裂紋擴展速率測量標志試驗方法》規(guī)定：如果一條裂紋的所有幾何尺寸（對表面裂紋而言，同時包括它的長度和深度）與相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)尺度、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)尺度或物理尺度相比都較小的話，則將其定義為“小裂紋”；而當(dāng)裂紋長度達到材料的微觀結(jié)構(gòu)不足以影響其擴展時，即裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)殚L裂紋。最近越來越多的研究結(jié)果表明，當(dāng)裂紋名義驅(qū)動力相同時，小裂紋的擴展速率比長裂紋的高得多，因此把針對長裂紋的疲勞斷裂設(shè)計理論直接用于含小裂紋構(gòu)件的疲勞壽命設(shè)計，可能導(dǎo)致對其疲勞壽命的估計過高。

　　隨著國產(chǎn)GH4169合金生產(chǎn)技術(shù)的日漸成熟和使用范圍的日益擴大，研究其小裂紋的疲勞擴展行為，能夠為國產(chǎn)航空發(fā)動機渦輪盤的長壽命設(shè)計提供重大幫助。目前，有關(guān)GH4169鎳基合金疲勞小裂紋擴展的試驗研究，尤其是晶粒尺寸對小裂紋擴展的影響研究鮮有報道。為此，科研人員對GH4169鎳基高溫合金進行了不同溫度固溶加雙級時效熱處理，研究了不同固溶溫度處理后的晶粒尺寸及力學(xué)性能以及晶粒尺寸對疲勞小裂紋擴展行為的影響。

　　試驗材料為熱連軋GH4169鎳基高溫合金棒材，尺寸為Φ44mm×3000mm，晶粒度9～11，平均晶粒尺寸6μm，其化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為C0.82，Al0.44，Si0.18，Ti1.16，Cr19.55，F(xiàn)e18.93，Nb5.19，S0.003，Mo2.74，P0.005，余Ni。采用線切割機將合金棒材切割成尺寸為Φ16mm×140mm試樣和5mm×5mm×5mm的金相試樣，在不同的固溶溫度下進行1h固溶處理，空冷，再進行（720±5）℃×8h爐冷（冷速50℃?h-1）和（620±5）℃×8h空冷的雙級時效處理，固溶溫度分別為985、1010、1020、1035、1050℃。試驗結(jié)果表明：

　?。?）在不同溫度固溶和雙級時效處理后，隨著固溶溫度的升高，試驗合金的晶粒尺寸明顯增大，強度下降。

　?。?）隨著平均晶粒尺寸的增大，試驗合金的疲勞壽命延長；疲勞小裂紋階段占據(jù)了疲勞壽命的70%～80%，一旦小裂紋尺寸長度達到臨界尺寸，裂紋會快速擴展至斷裂；平均晶粒尺寸較小的試驗合金中小裂紋臨界尺寸較小。

　?。?）小裂紋階段，試驗合金中裂紋擴展速率波動性大，有時會出現(xiàn)減速或止裂現(xiàn)象，平均晶粒尺寸對小裂紋擴展速率的影響不明顯；長裂紋階段，裂紋擴展速率隨著晶粒尺寸的增大而降低。