铸造镍基高温合金K435室温旋转弯曲疲劳行为

第２８卷第３期　２００７年３月　东北大学学报（　自然科学版）　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　Ｖｏ１．２８。Ｎｏ．３　

Ｍａｒ．２　０　０　７　

铸造镍基高　日△　，皿口　金Ｋ４３５室温旋转弯曲疲劳行为　郭晓光　，郭建亭　，周兰章　，杨洪才　（１．东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳　１１０００４；２．中国科学院金属研究所高温合金研究室，辽宁沈阳１１００１６）　

摘　要：在应力比Ｒ：一１，转速为５０００　ｒ／ｍｉｎ（８３．３　Ｈｚ）和实验室静态空气介质环境下，研究了抗热腐　蚀铸造镍基高温合金Ｋ４３５的旋转弯曲疲劳行为，得到其应力一疲劳寿命（＆Ｎｆ）曲线，测出其室温旋转弯曲　疲劳极限为２２０　ＭＰａ．用扫描电镜观察了疲劳断口形貌，发现裂纹主要萌生在试样表面或近表面缺陷处，断口　主要由裂纹萌生区、裂纹稳态扩展区和瞬间断裂区组成；并讨论了Ｋ４３５合金疲劳断裂的机制．用透射电镜观　察了合金微观组织的变化．　关键词：Ｋ４３５合金；旋转弯曲疲劳；疲劳裂纹；裂纹扩展；疲劳极限　中图分类号：ＴＧ　１１１．８；ＴＧ　１３２．３．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５－３０２６（２００７）０３—０３５７—０４　

Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　Ｂｅｎｄｉｎｇ　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　０ｆ　Ｎｉ－Ｂａｓｅｄ　Ｃａｓｔｉｎｇ　Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ　Ｋ４３５　ａｔ　Ｒｏｏｍ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　

ＧＵＯＸｉａｏ－ｇｕａｎｇ　，ＧＵＯＪｉａｎ—ｔｉｎｇ　，ＺＨＯＵ１．．ａｎ—ｚｈａｎｇ　，ＹＡＮＧＨｏｎｇ－ｃａｉ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１０００４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ＣＡＳ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１００１６，Ｃｈｉｎａ．Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＧＵＯ　Ｘｉａｏ－ｇｕａｎｇ，Ｅ－　ｍａｉｌ：ｓｙｄｘｇｘｇ＠１２６．ｔｏｍ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｎｉ—ｂａｓｅｄ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ　Ｋ４３５　ａｔ　ｒｏｏｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗｈｅｒｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ｅｑｕａｌｓ一１　ａｎｄ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ａｒｅ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ａｔ　５　０００　ｒ／ｍｉｎ（８３．３　Ｈｚ、．Ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ—ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｃｕｒｖｅ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｔｏ　ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｍｉｔ　ｗａｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　２２０　ＭＰａ．Ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｂｙ　ＳＥＭ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｒａｃｋｓ　ｗｅｒｅ　ｆｏｕｎｄ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｉｔｉａｔｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ／ｏｒ　ｎｅａｒ　ｉｔｓ　ｓｕｂ—ｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｉｃｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ，ｓｔｅａｄｙ　ｃｒａｃｋ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｆｒａｃｔｕｒｅ．　Ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｋ４３５　ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ　ａｎｄ　ｏｂｓｅｒｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｂｙ　ＴＥＭ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｋ４３５　ａｌｌｏｙ；ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｆａｔｉｇｕｅ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｒａｃｋ；ｃｒａｃｋ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ；ｆａｔｉｇｕｅ　

１ｉｍｉｔ　

Ｋ４３５合金是一种铸造镍基高温合金，被用　于制造先进燃气轮机的导向叶片，最高工作温度　可达９００℃．Ｋ４３５合金含有１６％Ｃｒ以保证具有　优异的抗热腐蚀性能，加入７．５％的固溶强化元　素（ｗ＋Ｍｏ＋Ｎｂ）和７．５％的沉淀强化元素（Ａｌ＋　Ｔｉ）使其具有较高的高温强度，并加入适量的Ｂ　和ｚｒ等元素以强化晶界Ｌｌ　Ｊ．铸造镍基高温合金　在实际服役条件下，长期承受高温及交变载荷作　用而产生疲劳断裂Ｌ２　Ｊ．由于旋转弯曲疲劳可以　很好地模拟高温合金工作环境中的复杂应力，因　

此通过对Ｋ４３５合金室温旋转弯曲疲劳行为的研　究，获得可靠的实验数据以期指导合金的生产和　应用．　

１试验材料与方法　试验母合金在５００　ｋｇ真空感应炉内熔炼．切　取１０　ｋｇ合金在真空条件下重熔并经熔模浇注成　直径为１６　ｉｎｒｎ，长为１８０　ｉｎｒｎ，最细处直径为１０　ｉｎｒｎ的漏斗形试棒，随后进行热处理．热处理后的　），　相为长方形．试验用Ｋ４３５合金的化学成分见　

收稿日期：２００６．０３．２２　基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０４７７００６）．　作者简介：郭晓光（１９５７一），男，辽宁黑山人，东北大学博士研究生；郭建亭（１９３８一），男，湖南汉寿人，中国科学院金属研究所研究　员，博士生导师；周兰章（１９６５一），男，湖北黄冈人，中国科学院金属研究所研究员；杨洪才（１９３６一），男，河北抚安人，　

东北大学教授，博士生导师．　

维普资讯 http://www.cqvip.com ３５８　东北大学学报（自然科学版）　第２８卷　表１．热处理制度为：１　１６０℃ｘ　４　ｈ，空冷＋１　０５０　℃ｘ　４　ｈ，空冷＋８５０℃ｘ　１６　ｈ，空冷．热处理后，　Ｋ４３５合金的室温力学性能见表２．热处理后的试　样经机械加工制成漏斗形标准旋转弯曲疲劳试样　（ＧＢ４３３７－－８４）．载荷控制的旋转弯曲疲劳实验是　在Ｅ型旋转弯曲疲劳实验机上进行的，应力比Ｒ　＝一１，转速为５　０００　ｒ／ｍｉｎ（８３．３　Ｈｚ），在实验室静　态空气介质环境下测定室温疲劳寿命Ｎｆ，确定　Ｎｆ＝１０　时Ｋ４３５合金室温下的旋转弯曲疲劳极　限．用扫描电子显微镜观察疲劳断口，确定疲劳断　裂机制；用透射电镜观察微观组织的变化．　

表１　Ｋ４３５合金的化学成分　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｋ４３５　ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ　

表２　Ｋ４３５合金室温力学性能　Ｔａｂｌｅ　２　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｋ４３５　ａｔ　ｒ（：Ｘ：：ＩＴ１　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　

２实验结果与分析　２．１室温疲劳性能　Ｋ４３５合金在室温条件下的旋转弯曲疲劳Ｓ－　Ｎｆ曲线如图１所示．从图１可看出随着所加应力　

图１　Ｋ４３５合金室温旋转弯曲疲劳的应力一疲劳　寿命（ｓ—Ｍ）曲线　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｅｓｓ－ｆ；ａｔｉ　ｅ　ｌｉｆｅ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　Ｋ４３５　ａｌｌｏｙ　ａｔ　ｒ（：Ｘ：：ＩＴ１　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　

水平的降低，疲劳寿命延长．当应力为２２０　ＭＰａ　时试样经ｌ０　循环而不发生断裂，即在本实验条　件下，Ｋ４３５合金室温旋转弯曲疲劳极限　一　＝　２２０　ＭＰａ．　实验所选的应力水平均低于Ｋ４３５合金的室　温屈服强度，因此在实验过程中，试样始终处于弹　性应变状态．试样之所以会发生疲劳损伤而断　裂，主要原因就是由于应力集中而产生的不均匀　塑性应变造成的．根据材料力学的知识，旋转弯　曲疲劳试样的表面比试样内部承受着大得多的切　应力，此应力与试样表面微观缺陷处的残余应力　相叠加造成局部的应力集中．当应力集中值超过　材料的屈服强度时就发生了局部的不均匀塑性变　形，而塑性变形则是位错不可逆运动的结果．对　于沉淀硬化型的合金，在交变应力作用下，位错与　沉淀相之间将发生交互作用：位错反复切割较小　尺寸的沉淀相，从而引起沉淀相的碎化，使得应力　集中得以松弛，引起合金的循环软化＿７ｊ．对尺寸　较大的沉淀相，位错将采用绕过机制绕过沉淀　相【８－９ｊ．位错的弯曲将在７　相的周围产生应力　场，在机械能的驱动下，７　相的尖角处将发生溶　解而逐渐球化以释放应力，减小对位错运动的阻　

图２疲劳试样的ｙ　相与位错形貌　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｙ　ｐｈａｓｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｋ４３５　ａｌｌｏｙ　（ａ）一热处理后的ｙ　相；（ｂ）一　＝３５０ＭＰａ，Ｎｆ＝７１７８００；（ｃ）一　＝２４０ＭＰａ，Ｎｆ＝５　０１７　０００．　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　郭晓光等：铸造镍基高温合金Ｋ４３５室温旋转弯曲疲劳行为　３５９　力，使合金产生循环软化．图２ａ为热处理后ｙ　相的形貌，图２ｂ为在３５０　ＭＰａ应力下，经７１７　８００次循环后断裂试样的ｙ　相与位错的形貌．可　见），　相已由长方形变为近似的球形，并且由于位　错切割ｙ　相而形成层错．图２ｃ清晰显示了位错　遇到ｙ　相时发生弯曲，使ｙ　相的棱角处变为圆　弧状．随着所加应力水平的降低，当疲劳损伤与　循环软化达到平衡时，合金在交变应力的作用下　不再产生疲劳断裂，此时合金所承受的应力就是　合金的疲劳极限．　２．２疲劳断口分析　疲劳断口ＳＥＭ观察表明，Ｉ（４３５合金的旋转　弯曲疲劳断口均是由裂纹萌生区，裂纹稳态扩展　区和裂纹失稳扩展到瞬间断裂区三部分组成．一　般来说，旋转弯曲疲劳加载时，疲劳试样表面所受　应力最大，疲劳试样表面的薄弱区域，如缩孔、夹　杂物、晶界、相界、硬脆第二相及冷加工刀痕等，多　为疲劳裂纹策源地．　Ｋ４３５合金旋转弯曲疲劳断口观察表明，无论　应力大小，裂纹均起源于试样表面和近表面的缺　陷处，见图３ａ．断口所以显得如此平整光滑是由　于加载过程中两个裂纹面的不断摩擦．Ｋ４３５合金　疲劳裂纹的形成与试样表面的几何不连续性有　关，由于Ｋ４３５合金为普通铸造合金，在铸造过程　中不可避免地存在很多缺陷，这些缺陷破坏了试　样表面的连续性，是试样表面的薄弱区域，成为疲　劳裂纹的策源地．对疲劳源区放大，见图３ｂ，显然　疏松是裂纹的主要形核处（箭头所指即为疏松）．　疲劳裂纹扩展的初期，裂纹的扩展主要以解理的　方式进行，形成解理台阶和河流花样，见图４．从　图４ａ中可见，在裂纹扩展过程中，碳化物可以作　为障碍，延缓裂纹的扩展．在裂纹扩展过程中，裂　纹尖端具有较高的应力集中，当裂纹扩展至碳化　物时，裂纹尖端的应力集中导致碳化物本身碎化　或其与基体的相界面开裂，产生二次裂纹（见图　４ａ）．二次裂纹的出现有效地缓解了裂纹尖端的应　力集中，降低了裂纹扩展的驱动力，延缓了疲劳裂　纹的扩展，并且形成较宽的解理台阶．可见呈骨架　状分布的碳化物对提高合金的抗疲劳裂纹扩展能　力起着重要的作用．