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科研进展
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晶粒尺寸影响疲劳短裂纹萌生与扩展的微观机制
发表时间:2015-05-03 阅读次数:2279次

        微观结构,尤其是晶粒尺寸对于镍基高温合金低周疲劳性能有重要的影响。近二十多年来,已经有众多学者对晶粒尺寸对低周疲劳寿命和裂纹萌生机制的影响做了系统的实验研究和本构模型研究,取得了较为丰富的成果。但绝大多数的研究都局限于长裂纹的情况下,没有考虑疲劳短裂纹的扩展行为。因此,为了建立准确的损伤容限设计和部件疲劳寿命评估方法,应该开展相关的疲劳短裂纹实验研究。

        镍基高温合金GH4169具有高性价比、良好的成形性和可焊接性等特点,被广泛应用于航空航天和核电领域。疲劳载荷是导致使用GH4169合金制成的部件过早失效的重要原因之一。早期研究表明,裂纹萌生和短裂纹扩展阶段占据疲劳总寿命的比例可高达70-80%,因此,本研究以镍基高温合金GH4169为研究对象,开展疲劳短裂纹萌生及扩展机制的研究。

        本研究使用新型二元硅橡胶复膜法获得了不同晶粒尺寸下,镍基高温合金GH4169疲劳短裂纹萌生及扩展数据,主要研究内容和结论如下:

        (1) 疲劳试样的复膜照片显示了镍基高温合金GH4169存在两种不同的疲劳裂纹萌生机制。疲劳裂纹萌生机制随晶粒尺寸变化而变化,当晶粒尺寸为9 mm时,疲劳裂纹在第二相颗粒处萌生;然而,当晶粒尺寸为25 mm时,疲劳裂纹倾向于在晶界处萌生。

        (2) 裂纹萌生和短裂纹扩展阶段占据了疲劳总寿命的60-80%,一旦表面裂纹长度超过200 mm,裂纹将会快速扩展。对于镍基高温合金GH4169,短裂纹扩展速率几乎保持恒定,晶粒尺寸和应力水平几乎对短裂纹扩展速率没有明显的影响。

        (3) 从裂纹长度随寿命分数的变化曲线和总疲劳寿命随裂纹萌生寿命的线性关系可以看出,导致平行试样间疲劳寿命分散性的原因可能是由于不同的疲劳裂纹萌生机制和主裂纹数量。疲劳总寿命随裂纹萌生寿命的增加而增加。

 

镍基高温合金GH4169疲劳短裂纹复膜照片

总疲劳寿命与裂纹萌生寿命的线性关系

论文信息:Deng G-J, Tu S-T, Zhang X-C, Wang Q-Q, Qin C-H, Grain size effect on the small fatigue crack initiation and growth mechanisms of nickel-based superalloy GH4169, Eng Fract Mech 2015;134:433-450.