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【IJF】MAR-M247高温合金在750℃不同应变速率和循环形式下的低周疲劳行为
发表时间:2022-10-03 阅读次数:158次

引文格式:

GB/T 7714      

Šulák I, Obrtlík K, Babinský T, et al. The low cycle fatigue behaviour of MAR-M247 superalloy under different strain rates and cycle shapes at 750°C[J]. International Journal of Fatigue, 2022, 164: 107133.

MLA      

Šulák, I., et al. "The low cycle fatigue behaviour of MAR-M247 superalloy under different strain rates and cycle shapes at 750°C." International Journal of Fatigue, 164 (2022): 107133.

APA      

Šulák, I., Obrtlík, K., Babinský, T., & Guth, S. (2022). The low cycle fatigue behaviour of MAR-M247 superalloy under different strain rates and cycle shapes at 750°C. International Journal of Fatigue, 164, 107133.

 

背景简介

燃气轮机和喷气发动机的瞬态运行,例如启动、关闭和负载变化,会在部件中引起热应变和应力,重复这些操作可能导致零件产生低周疲劳(LCF)载荷,影响其使用寿命。为了实现安全高效的设计,有很多学者研究了典型叶片材料(如镍基合金)的LCF行为。涡轮叶片在实际使用中不仅存在稳态周期,还存在由于设备的启停导致叶片产生加热和冷却。虽然经常使用保载时间试验研究稳态周期的影响,但关于不同加卸载速率对典型燃气轮机材料LCF行为的影响的可用数据很少。当载荷率在一个周期内变化时,损伤作用机制和由此产生的LCF寿命可能受到特别影响。因此,考虑加载速率和循环形式的影响,对探究材料的低周疲劳行为至关重要。

 

成果介绍

 

本工作系统地研究了应变速率和循环形式对750℃下多晶镍基高温合金MAR-M247的LCF变形、损伤和寿命的影响。从结果可以得出以下结论:

(1)随着应变速率的降低,塑性应变幅值增大,应力幅值减小。引入拉伸保载时间导致的塑性应变幅由于保载期间的应力松弛而进一步增加,而慢-快试验比快-慢试验产生了更高的塑性应变幅,这可能是由于在慢拉伸载荷期间形成了孔洞。图1显示了750℃下应变幅为0.50%时的应力-应变迟滞回线。

图1  750℃下应变范围为0.5%时的应力-应变迟滞回线

(2)随着应变速率的降低,由于裂纹与晶界孔洞的连接,主要裂纹扩展模式逐渐从穿晶型转变为沿晶型。在保载时间试验中,裂纹和孔洞形式的损伤主要是沿晶损伤。慢-快循环主要产生沿晶裂纹,而快-慢试验中的损伤形式是穿晶的。图2显示了在750℃、总应变幅εa=0.50%,不同恒定应变率下测试的试样断裂面。

图2 在750℃、总应变振幅εa=0.50%,不同恒定应变率下测试的试样断裂面

(3)对于给定的应变幅,由于蠕变和氧化损伤的增加,寿命随着应变速率的降低而降低,并且由于晶间损伤的增加,慢-快试验显示出比快-慢试验更短的寿命。与应变速率为2×10-5s-1的慢-快试验和恒定应变率试验相比,保载疲劳试验的寿命更长,表明对于缓慢增加的载荷,晶间裂纹扩展比随后拉伸松弛期的快速增加的载荷快。图3显示了MAR-M247高温合金在750℃不同加载条件下循环应变疲劳寿命的比较。

图3  MAR-M247高温合金在750℃不同加载条件下循环应变疲劳寿命的比较

(4)结果表明,在平均应力演化、蠕变-疲劳相互作用和寿命方面,慢-快和快-慢循环的LCF试验分别与同相和异相条件下的热机械疲劳试验具有定性可比性。然而,为了证实这一点,需要进一步的实验,包括与热机械疲劳试验结果的直接比较。

 

致谢

该研究工作得到了项目“IPM员工的国际流动性”(CZ.02.2.69/0.0/0.1/18_053/0016933)和“涡轮增压器铸造径向轮对热机械应力的阻力研究和提高机械值的技术”提供的资金支持。本文通讯作者:Šulák I(Institute of Physics of Materials ASCR, Žižkova 22, Brno 616 00, Czech Republic)。

本期小编:杨 凯(整理)

徐浩波(校对)

王康康(审核)

闵 琳(发布)