背景简介

多晶镍基高温合金，如GH742 合金，由于其优异的机械性能和高温下的耐腐蚀性，能够长期在高温、高压和高速气流等腐蚀性环境中服役，是航空发动机和燃气轮机中使用的涡轮盘部件最潜在的候选材料。

高温合金在使用前应考虑其疲劳、蠕变和热稳定性特性，在过去的几十年中，已对疲劳、蠕变和拉伸性能等进行了详细的研究。然而，平均应力和应力幅值对应力控制的棘轮疲劳行为的影响并未受到关注。甚至，疲劳寿命预测模型对棘轮疲劳现象也没有引起足够的重视。由于实际工况包括不对称循环载荷在内的复杂使用条件，应考虑 GH742合金的棘轮疲劳行为。目前，应力幅值与疲劳寿命之间的经典疲劳关系通常由 Basquin 方程给出。但是，由于没有考虑平均应力的影响，因此该方程不能直接使用。本文在考虑应力幅值和平均应力的情况下，建立了一种基于棘轮应变率的疲劳寿命模型，该模型可以很好地预测疲劳寿命。

成果介绍

疲劳试验采用圆柱形试样，标距直径为 6.5 mm，标距长度为 16 mm。利用MTS Landmark 370.10试验机进行一系列对称（应力幅为723 MPa/773 MPa/823 MPa/848 MPa/873 MPa，平均应力为0 MPa）和非对称（应力幅为773 MPa/823 MPa/848 MPa/873 MPa，平均应力为50 MPa和应力幅为848MPa，平均应力为75MPa）的疲劳试验，试验温度为650℃，采用三角形波形的循环载荷。通过对试验结果分析得到以下结论：

（1）不同循环载荷条件下的棘轮应变曲线如图1（a-c）示。结果表明棘轮应变随着循环周次的增加而增加，并且疲劳寿命随着应力幅值或平均应力的增加而降低。棘轮应变率曲线如图1（d-f）所示，该曲线在棘轮应变率与疲劳寿命曲线中呈现U形。棘轮应变率曲线在外观上类似于蠕变应变率曲线，可分为减速、稳态和加速三个阶段。棘轮应变率在减速和加速阶段变化较快，同时在稳态阶段几乎主导着疲劳寿命。因此，可以推断稳态阶段的棘轮应变率与疲劳性能密切相关。根据棘轮应变率曲线，最小棘轮应变率被认为是稳态阶段的稳态棘轮应变率，记录在图1（g-i）中。稳态棘轮应变率随应力幅值或平均应力的增大而增大，与疲劳寿命相比呈现相反的变化趋势。因此，可以推断疲劳寿命与稳态棘轮应变率之间存在必然的关系。

图1（a-c）为棘轮应变与疲劳寿命曲线，（d-f）为棘轮应变率与疲劳寿命曲线，（g-i）为不同实验条件下的稳态棘轮应变率曲线

（2）图 2（a-c）显示了三种不同循环加载模式下的疲劳寿命与稳态棘轮应变率的关系图。其中疲劳寿命随着稳态棘轮应变率的增加而降低，在对数尺度上，疲劳寿命与稳态棘轮应变率之间存在线性关系。图2（d-f）显示了在650℃三种不同循环加载模式下稳态棘轮应变率与有效应力幅值的关系图。在对数尺度上，稳态棘轮应变率随有效应力幅值的增加而增加。

图2（a-c）三种不同循环加载模式下的疲劳寿命与稳态棘轮应变率的关系，（d-f）三种不同循环加载模式下稳态棘轮应变率与有效应力幅值的关系

（3）在考虑应力幅值和平均应力的情况下，建立了一种基于棘轮应变率的疲劳寿命模型：

基于提出的疲劳寿命预测模型的计算疲劳寿命与实验寿命的比较如图3所示。几乎所有的数据点都位于y = x线上，除了三个点在1.25倍分散带内，精度远高于传统的两倍误差带，表明基于棘轮应变率考虑平均应力和应力幅值的疲劳寿命预测模型对于预测低周疲劳和棘轮疲劳寿命具有足够的准确性。

图3 基于疲劳寿命预测模型计算的疲劳寿命与实验的疲劳寿命的比较

致谢

该研究工作得到国家科技重大专项的资金支持。本文通讯作者：袁超（中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室）。

本期小编：杨凯（整理）

杨逸璠（校对）

程 航（审核）

闵 琳（发布）