DD3单晶高温合金疲劳-蠕变复合作用下的形变特点

D0I:10.13374/j.issn1001-一053x.1995.02.020 第17卷第2期 北京科技大学学报 Vol.17 No.2 1995年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ap.1995 DD3单晶高温合金疲劳一蠕变复合作用 下的形变特点 陈国良郭宏 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京，100083 摘要。研究了DD3单品高温合品在疲劳-螨变复合作用下的材料形变特点，分析了DD3 单晶在不同的交变应力和平均应力的组合下材料的动态变形曲线特点，建立了在930℃此 单晶的疲劳一蠕变交互作用变形类的断裂特征图，研究发现DD3单晶合金断裂特征图F区 具有较宽的应力范围，而C区则具有相对较窄的应力范围，这表明DD3单晶合金具有相对 较强的抗蠕变能力和相对较弱的抗疲劳能力， 关键词蠕变疲劳，交互作用，耐热合金，单晶、变形 中图分类号TG142.73,TG111.8 Deformation Features of Superalloy DD3 under Fatigue Creep Interaction Chen Guoliang Guo Hong State Key Laboratory for Advanced Metallic Materials,USTB.Beijing 100083 ABSTRACT The deformation features of a nickle-base single crystal superalloy DD3 under fatigue-creep interaction were investigated.The strain rate type fatigue-creep frature machanism map was constrcuted.The maxium stress modified equations were obtained to calculate the minium strain rate for the fixed stress conditions.It is demonstrated that the predicted values compared favourable with the observed values. KEY WORDS creep fatigue,interaction,heat-resistant alloys,single crystals.deformation DD3单晶是一种高强度，低比重，成本较低的】种镍基高温合金，在合理的热处 理制度下其y'体积分数达到63%山，而且y'呈均匀分布的立方形细小沉淀·这种理想 的微观组织结构使DD3单晶具有较高的抗蠕变能力和较好的抗低周疲劳能力，适合用 于高温动力装置部件，大多数的高温动力装置都承受着疲劳一蠕变的复合载荷作用· 早期的Taria21等人试图用等效应力的概念来预测材料的动蠕变（交变应力和平均应力 之比小于1)行为，对于大部分材料在交互作用较为强烈时就显得不够有效，而应该 考虑到交互作用的影响·本文利用疲劳一蠕变交互作用断裂特征图]研究了DD3单晶 1994-05-27收稿 第一作者男59岁教授

第 17卷 第 2 期 19 9 5 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u ma l o f U n i v e sr ity o f S d ne ec a nd T ec h n o ol g y B e ij i n g V o l . 17 N o . 2 A P r . 1 9 9 5 D D 3 单晶高温合金疲劳 一 蠕 变复合作用 下 的形变 特点 陈 国 良 郭 宏 北 京科技大学新金 属 材料 国 家重 点实验室 , 北京 , 1仪X)83 摘 要 研 究 了 D D 3 单 晶高 温合 晶在 疲劳 一 蠕 变 复 合 作 用 下 的 材 料 形 变 特 点 , 分 析 了 D D 3 单 晶在 不 同的交 变应 力和 平均 应力 的 组 合下 材 料 的 动 态 变 形 曲线 特 点 , 建 立 了 在 93 0 ℃ 此 单 晶 的 疲 劳 一 蠕 变交 互作 用 变 形 类 的 断 裂特 征 图 . 研究 发现 D D 3 单 晶 合金 断裂 特征 图 F 区 具 有 较宽 的 应力 范 围 , 而 C 区 则具 有相 对较 窄 的 应 力 范 围 . 这 表 明 D D 3 单 晶合 金 具 有 相 对 较强 的 抗蠕 变能 力和 相 对较弱 的 抗 疲 劳能 力 . 关键 词 蠕变 疲 劳 , 交 互作 用 , 耐 热合金 , 单 晶 , 变形 中图 分类号 T G 14 2 . 73 , T G l l l . 8 D e fo r ma t i o n F e a t u r e s o f S u P e r a ll o y D D 3 u n d e r F a t i g u e C r e e P I n t e r a e t i o n C h e n G u o li a n 夕 G u o H o n g 5 t a t e K e y L a b o r a r o r y fo r A d v a n e e d M e t a ll 一e M a t e r i a l s , U S T B , B e i j i n g 10 0 0 8 3 A B S T R A C T T h e d e fo r m a t i o n fe a t u r e s o f a n i c k l e 一 b a s e s i n g l e c r y s t a l s u P e r a ll o y D D 3 u n d e r fa t i g u e 一 e r e e P i n t e r a c t i o n w e r e i n v e s t i g a t e d . T h e s t r a i n r a t e t y P e fa t i g u e 一 e r e e P fr a t u r e m a e h a n i s m m a P w a s c o n s t r e u t e d . T h e m a x i u m s t r e s s m o d iif e d e q u a t i o n s w e r e o b t a i n e d t o c a l c u l a t e t h e m i n i u m s t r a i n r a t e fo r t h e fl x e d s t r e s s c o n d it i o n s . I t 1 5 d e m o n s t r a t e d t h a t t h e P r e d i c t e d v a l u e s c o m P a r e d fa v o u r a b l e w it h t h e o b s e r v e d v a l u e s . K E Y WO R D S c r e e P fa t i g u e , i n t e r a c t i o n , h e a t 一 r e s i s t a n t a ll o y s , s i n g l e c r y s t a l s , d e fo r am t i o n D D 3 单 晶是 一 种 高 强 度 , 低 比 重 , 成 本 较 低 的 l 种 镍 基 高 温 合 金 . 在 合 理 的 热 处 理 制 度 下 其 下` 体 积 分 数 达 到 63 % [ ’ } , 而 且 7 ` 呈 均 匀 分 布 的 立 方 形 细 小 沉 淀 . 这 种 理 想 的微 观 组 织 结 构使 D D 3 单 晶具 有 较 高 的抗 蠕 变 能 力 和 较 好 的 抗 低 周 疲 劳 能 力 , 适 合 用 于 高温 动 力 装 置 部 件 . 大 多 数 的 高 温 动 力 装 置 都 承 受 着 疲 劳 一 蠕 变 的 复 合 载 荷 作 用 . 早 期 的 T ar i a 【2 } 等 人 试 图 用 等 效 应 力 的概 念 来 预测 材 料 的 动 蠕 变 (交 变 应 力 和 平 均 应 力 之 比小 于 l) 行 为 , 对于 大 部 分 材 料 在 交 互 作 用 较 为 强 烈 时 就 显 得 不 够 有 效 , 而 应该 考 虑到 交 互 作 用 的 影 响 . 本 文 利 用 疲 劳 一 蠕 变交 互 作 用 断 裂 特 征 图 [ ’ 〕研 究 了 D D 3 单晶 1 9 9 4 一 0 5 一 2 7 收 稿 第 一 作 者 男 59 岁 教 授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. 02. 020

·194· 北京科技大学学报 1995年No.2 高温合金疲劳一蠕变交互作用下的变形规律，根据材料的最小变形速率和应力状态的 不同的依赖关系作出了DD3单晶的疲劳-蠕变应变速率特征图，利用最大应力修正法 得到DD3单晶高温合金疲劳-蠕变交互作用下最小应变速率和应力状态的不同依赖关系· 1 材料和实验方法 DD3单晶是采用螺旋晶体选择器和快速凝固技术在ISP2/Ⅲ一DS真空定向凝固炉中 制取的，板坯的一次枝晶间距300μm.经1250℃固溶4h,再870℃32h时效处理后DD3 单晶的y'相体积分数达到63%，并以细小立方体均匀分布，所有的疲劳蠕变试样的取 向都为[001]方向，试样轴线和[001]方向的交角小于15°. 疲劳蠕变力性实验采用载荷控制方式·保持最大载荷不变，通过改变最小载荷来实 现交变载荷和平均载荷朝相反的方向增减，即首先选定1个最大应力，在这个最大应力 下，通过改变最小应力得到一系列不同的交变应力和平均应力的组合；再在另1个最大 恒定的应力下重复以上过程，得到另1组交变应力和平均应力的组合，全部力性实验所 用设备为MTS809计算机控制电液伺服低周疲劳材料试验机，加载波形为方波，频率 1Hz,试验温度在930℃于空气中进行的.采用三段式电阻丝加热炉加热.试样的变形 采用径向引伸仪通过差动变压器(LVDT)测量， 采用KMnO,(15%)+NaOH(20%)的水溶液清洗断裂试样断口.具体过程为：把断 裂的试样放于此溶液中煮沸30min,再在草酸溶液中煮大约5min后，再在酒精溶液中用 超声波振荡清洗·用扫描电镜观测试样的断口· 2实验结果和讨论 2.1疲劳蠕变动态应变曲线 疲劳蠕变变形是由与时间无关的瞬时弹性及塑性变形和与时间有关的疲劳蠕变变形 组成·瞬时变形与最大应力有关，而疲劳蠕变变形则和最大应力及最小应力都有关系· 在恒定最大应力的情况下，最小应力的改变将会引起交变应力（疲劳应力）和平均应力 (蠕变应力)的同时变化，因此最小应力的改变将会引起疲劳蠕变动态应变曲线的变 化，图1是两个恒定最大应力416.4MPa和485.7MPa作用下不同的最小应力的动态应 变曲线（图上反映的应变值是最小应变值和时间的关系，并去除掉了瞬时弹塑性变 形)·图中可看出在交变应力和平均应力比值较小的情况下，其蠕变曲线更为接近纯蠕 变曲线，如曲线3和4，表现为具有较大的延伸率，第2阶段应变速率随着平均应力和 最大应力的增大而增加；第3阶段相对较长，由于在此应力区域内材料的断裂主要由蠕 变损伤引起，故此应力区域称之为C区；在交变应力和平均应力的比值相对较大的情况 下，如图1中的曲线6，动态应变曲线和前者有着明显的区别·此种情况下材料具有非 常小的延伸率，第2阶段应变速率小，第3阶段明显缩短，曲线和纯疲劳的变形曲线较 为接近，在此应力区域内随交变应力和最大应力的增加第2阶段应变速率也增加·由于 在此应力区域中，材料的破坏主要是由疲劳损伤引起的，故此应力区域称之为F区

· 19 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 99 5年 N o . 2 高温 合金 疲劳 一 蠕 变 交 互 作 用下 的 变 形 规 律 , 根 据 材 料 的 最 小 变形 速 率 和 应 力 状 态 的 不 同 的 依 赖 关 系 作 出 了 D D 3 单 晶 的 疲 劳 一 蠕 变 应 变 速 率 特 征 图 . 利 用 最 大 应 力 修正 法 得 到 D D 3 单 晶高温 合金 疲 劳 一 蠕 变交互 作用 下最 小 应变 速率和 应 力 状 态 的 不 同依 赖 关系 . 1 材料和 实验 方 法 D D 3 单 晶是 采 用 螺 旋 晶 体 选 择器 和 快 速 凝 固技 术 在 sI P Z/ l 一 D S 真空 定 向凝 固炉 中 制 取 的 . 板 坯 的一 次枝 晶间距 3 0 0 户m . 经 1 25 0 ℃ 固溶 4 h , 再 8 70 ℃ 32 h 时效处理后 D D 3 单 晶 的 y ` 相 体积 分 数达 到 63 % , 并 以 细 小 立 方 体 均 匀 分 布 . 所 有 的 疲 劳 蠕 变 试 样 的 取 向都为 0[ 01 ] 方 向 , 试 样 轴 线 和 0[ 01 ]方 向 的交 角小 于 1 5 0 . 疲 劳 蠕 变 力 性 实 验 采 用 载 荷控 制方 式 . 保 持最 大 载 荷 不 变 , 通 过改 变 最 小 载 荷 来 实 现交 变 载 荷和 平 均 载 荷 朝相 反 的方 向增 减 . 即 首 先 选 定 l 个 最 大 应 力 , 在 这 个 最 大 应力 下 , 通 过 改 变 最 小 应 力 得 到 一 系 列 不 同 的交 变 应 力 和 平 均 应 力 的 组 合 ; 再 在 另 1 个 最 大 恒 定 的 应力 下 重 复 以 上 过 程 , 得 到 另 1 组 交 变 应 力 和 平 均 应力 的组 合 . 全 部 力 性 实 验 所 用设 备 为 M T S 8 0 9 计 算 机 控 制 电 液 伺 服 低 周 疲 劳 材 料 试 验 机 , 加 载 波 形 为 方 波 , 频 率 I H z , 试 验 温 度 在 9 30 ℃ 于 空 气 中 进行 的 . 采 用 三 段 式 电阻 丝 加 热 炉 加 热 . 试 样 的 变 形 采 用 径 向引 伸 仪 通 过 差 动 变 压 器 ( L V D T ) 测 量 . 采 用 K ZM n O 礴 ( 15 % ) 十 N a O H (2 o % ) 的水 溶 液 清 洗 断 裂 试 样 断 口 . 具 体过 程 为 : 把断 裂 的 试 样 放 于 此 溶 液 中 煮沸 30 m in , 再 在 草 酸 溶 液 中煮 大 约 s m in 后 , 再 在 酒 精 溶 液 中用 超 声 波 振 荡 清 洗 . 用 扫描 电镜 观 测 试样 的 断 口 . 实 验结 果 和 讨论 疲 劳 蠕 变动 态 应 变 曲线 疲 劳 蠕 变 变 形 是 由 与 时 间 无 关 的 瞬 时弹 性 及 塑 性 变 形 和 与 时 间有 关 的 疲 劳 蠕 变 变 形 组 成 . 瞬 时 变 形 与 最 大 应 力 有 关 , 而疲 劳蠕 变 变 形 则 和 最 大 应 力 及 最 小 应 力 都 有 关 系 . 在 恒 定 最 大 应 力 的 情 况 下 , 最 小 应 力 的改 变 将 会 引 起 交 变 应 力 (疲 劳应 力 ) 和 平 均 应 力 (蠕 变 应 力 ) 的 同 时变 化 , 因 此 最 小 应 力 的 改 变 将 会 引 起 疲 劳 蠕 变 动 态 应 变 曲 线 的 变 化 . 图 1 是两 个 恒定 最 大 应 力 41 .6 4 M P a 和 4 85 . 7 M P a 作 用 下 不 同 的最 小 应 力 的 动 态应 变 曲 线 ( 图 上 反 映 的 应 变 值 是 最 小 应 变 值 和 时 间 的 关 系 , 并 去 除 掉 了 瞬 时 弹 塑 性 变 形 ) . 图 中可 看 出在 交 变 应 力 和平 均 应力 比值 较 小 的 情 况 下 , 其 蠕 变 曲线 更 为 接 近 纯 蠕 变 曲线 , 如 曲线 3 和 4 , 表 现 为具 有 较 大 的 延 伸 率 . 第 2 阶段 应 变 速 率 随 着 平 均 应 力 和 最 大 应 力 的 增 大 而 增 加 ; 第 3 阶段 相 对较 长 . 由于 在 此 应 力 区 域 内材 料 的 断裂 主 要 由 蠕 变 损 伤 引 起 , 故 此 应 力 区 域 称 之 为 C 区 ; 在 交 变 应 力 和平 均应 力 的 比 值 相 对 较大 的情 况 下 , 如 图 1 中 的 曲 线 6 , 动 态 应 变 曲线 和 前 者 有 着 明 显 的 区 别 . 此 种 情 况 下 材 料 具有 非 常 小 的 延 伸率 , 第 2 阶段 应 变速 率 小 , 第 3 阶段 明 显 缩 短 , 曲线 和 纯 疲 劳 的 变 形 曲 线 较 为 接 近 . 在 此 应 力 区 域 内 随交 变 应 力 和最 大 应力 的 增 加 第 2 阶 段 应 变 速 率也 增 加 . 由 于 在 此 应 力 区 域 中 , 材 料 的 破 坏 主 要 是 由疲 劳 损 伤 引 起 的 , 故 此 应 力 区 域 称 之 为 F 区

Vol.17 No.2 陈国良等：DD3单晶高温合金疲劳一孀变复合作用下的形变特点 195. 0.20 11 No. m/MPa a,/MPa o/MPa 0.15 1 485.7 0.0 485.7 2 485.7 194.3 291.4 0.10 3 485.7 72.9 412.8 4 416.4 62.5 353.9 0.05 5 416.4 104.1 312.3 145.7 0.00 6 416.4 270.7 0 t,×10'/s 图1动态应变曲线 对于F区和C区的中间区域，在该区域内平均应力和交变应力对变形都起着重要的作 用，二者的少量变化都有可能引起变形规律的较大差异，一般而言随交变应力和平均应 力的比值的增加，材料的延伸率逐渐减小，但在此应力区域中材料的延伸率一般都比F 区大而比C区更小；第2阶段应变速率也随交变应力和平均应力比值增加而减少，在此 应力区域内，材料的断裂由疲劳损伤和蠕变损伤混合控制，故这一应力区域称之为FC区， 表1列出了纯疲劳、纯蠕变和3个恒定最大应力下F区，C区和FC区的疲劳蠕变最 小应变速率的回归公式，在恒定最大应力下，F区的最小应变速率主要由交变应力决 定，而在C区最小应变速率主要由平均应力决定，但由于F区中的平均应力和C区中 的交变应力的影响，使得在3个恒定最大应力下的F区和C区的最小应变速率回归公 式和纯疲劳、纯蠕变的回归公式有区别· 表1疲劳蠕变最小应变速率回归公式 max/MPa F区 C区 416.35 8=2.254×10°σ18911 r=0.99 8=5.624×101”04674 r=0.99 485.74 =1.252×10-1g,22 r=0.98 e=5.352×10-20o8952 r=0.96 512.44 =4.435×109g,31 r=0.99 E=1.229×106g46s81 r=0.99 R=-1 E=1.0787×10-2”g85248r=0.95 元=1.0787×102”g,8524r=0.95 R=1 E=4.952×10-0g,2647 r=0.97 8=4.952×10-30g,96437 r=0.97 2.2 疲劳蠕变应变速率特征图 疲劳一蠕变交互作用下材料的第2阶段应变速率是由最大应力、交变应力和平均应 力决定的.图2是在3个恒定最大应力下DD3单晶合金930℃第2阶段变形速率和应 力的关系，纯疲劳和纯蠕变的情况也同时画在图上·应力函数σ，的引入是为了在同一 坐标系中能够同时表示出不同的最大应力下应变速率和交变应力及平均应力的关系，令 6,=600-(σm),这样右侧的坐标就能够表示出在不同的恒定最大应力下的各条应变 速率曲线上具有相同的交变应力而不同的平均应力值对于纯蠕变的情况，σ，选择对应

V 0 1 . 17N 6 . 2 陈国 良等 : D D 3单 晶高 温合 金疲 劳 一 蠕 变复 合 作用 下 的形 变特 点 0 . 2 0 N o . a ma : /M P a a 。 /M P a a。 /M P a 0 . 1 5 0 . 10 0 . 0 1 94 . 3 72 . 9 62 . 5 0 . 0 5 0 . 0 0 一“ 一 } 4 _ }习一 5 ) 口一 _ / 4 85 . 7 4 85 . 7 4 85 . 7 4 16 . 4 4 1 6 . 4 4 16 . 4 10 4 . 1 14 5 . 7 4 85 . 7 2 9 1 . 4 4 12 . 8 35 3 . 9 3 12 . 3 2 70 . 7 l ` , ` 1 0 , / s 图 1 动态 应 变 曲线 对于 F 区 和 C 区 的 中 间 区 域 , 在 该 区 域 内 平 均 应 力 和 交 变 应 力 对 变 形 都 起 着 重 要 的 作 用 , 二 者 的少 量 变 化 都 有 可 能 引 起 变 形 规律 的较 大 差 异 . 一 般 而 言 随交 变应力 和 平 均 应 力 的 比值 的增 加 , 材 料 的延 伸 率 逐 渐 减 小 , 但在 此 应 力 区 域 中材 料 的延 伸 率 一 般都 比 F 区 大 而 比 C 区 更小 ; 第 2 阶段 应变 速率 也 随 交 变 应 力 和 平 均 应 力 比 值 增 加 而 减 少 . 在 此 应 力 区 域 内 , 材料 的断裂 由疲 劳损 伤和 蠕 变损 伤混 合 控制 , 故这 一应力 区域 称 之 为 F C 区 . 表 1 列 出 了 纯 疲 劳 、 纯 蠕 变 和 3 个 恒 定 最 大 应 力 下 F 区 、 C 区 和 F C 区 的 疲 劳 蠕 变 最 小 应 变 速 率 的 回 归公 式 . 在 恒 定 最 大 应 力 下 , F 区 的 最 小 应 变 速 率主 要 由 交 变 应 力 决 定 , 而 在 C 区 最 小 应 变 速 率 主 要 由 平均 应 力 决 定 . 但 由于 F 区 中 的 平 均 应力 和 C 区 中 的交变 应 力 的影 响 , 使 得 在 3 个 恒 定 最 大 应 力 下 的 F 区 和 C 区 的 最 小 应变 速 率 回 归 公 式 和 纯 疲 劳 、 纯 蠕 变 的 回 归 公 式 有 区 别 . 表 1 疲 劳蠕变 最 小应 变速 率 回 归公 式 a m a : / M P a F 区 C 区 4 1 6 . 3 5 48 5 . 74 5 1 2 . 科 R = 一 1 R = 1 云= 2 之54 x 1 0 一 l。 。 J 89 , ’ r = 0 . 99 云= 1 . 252 x 10 一 ’ 。 。 了 , , r = 0 . 9 8 云= 4 4 3 5 x 10 一 ’ a 。 , 川 r = 0 . 9 9 云= 1 . 0 7 8 7 x 10 一 ” a 少 , , ` s r = 0 . 9 5 后= 4 . 95 2 x 10 一 ’ o a 岁 6` 8 ’ r = 0 . 9 7 云= 5 . 62 4 x 1 0 一 ’ g a 盆 4 6 , 礴 ; = 0 . 9 9 云= 5 . 352 x 10 一 ’ 0 。二 89 , ’ ; = 0 . 9 6 云= 1 . 2 2 9 x 10 一 ’ ` 。 : 6 , 8 ’ ; = 0 . 9 9 毛= 1 . 0 78 7 x 10 一 ” a 』 , , 4 g r = 0 . 9 5 云= 4 , 5 2 x 10 一 ’ o a : 6 4 8 ’ r = 0 . 9 7 .2 2 疲 劳 蠕 变 应 变 速 率 特 征 图 疲 劳 一 蠕 变 交 互 作 用 下 材 料 的第 2 阶段 应 变 速 率 是 由最 大 应 力 、 交 变 应 力 和 平 均 应 力 决定 的 . 图 2 是 在 3 个 恒定 最 大 应 力 下 D D 3 单 晶合 金 9 30 ℃ 第 2 阶 段 变 形 速 率 和 应 力 的 关 系 , 纯疲 劳和 纯 蠕 变 的情 况 也 同 时 画 在 图 上 . 应 力 函 数 口 ` 的 引 人 是 为 了 在 同 一 坐 标 系 中 能够 同 时表 示 出不 同 的最 大 应 力 下 应 变 速 率 和 交 变 应 力 及 平 均 应 力 的 关 系 . 令 。 ` 二 6 0 0 一 ( 6 二 ax ) , , 这 样 右 侧的 坐标 就 能 够 表 示 出在 不 同 的 恒定 最 大 应 力 下 的 各 条 应 变 速 率 曲 线上 具 有 相 同 的交 变 应 力 而 不 同 的 平 均 应 力 值 . 对于 纯 蠕 变 的 情 况 , a 、 选 择 对应

·196 北京科技大学学报 1995年No.2 于(cma),最小的那个值· 图2上3个主要区域的划分对应于材料 600DD3 S.C.930 C IHz S.W 10 OR=I 在疲劳一蠕变交互下可能发生的3种主要 ,=600-(m) 485 MPa 100 断裂机制，在曲线的上部的F区内，交变 o:416 MPa 400 ●0m.'520MPa6 200 应力较大而平均应力较小，材料在此种情 FF F 况下，空穴化程度小，材料的破坏主要是由 300 FCF. 300.0 疲劳裂纹的形核和扩展致断；其试样断口和 CFF 6200 CFC FC 4006 纯疲劳断裂类似（图3a),在曲线的下部C 区内，交变应力较小而平均应力相对较 100 500 大，此种情况下材料内部的空穴化占主导地 0 600 10 位，材料的损伤主要由材料内部空穴成核和 m,×105/%·s-1 空穴通过互相连接长大导致材料的破坏，其 试样断口和纯蠕变的情况相似（图3b),在 图2疲劳蠕变交互作用应变速率断裂特征图 F区和C区之间的应力范围内，材料表面成核的疲劳裂纹和内部空穴交互作用，内 部形成的空穴也可以作为疲劳源形成疲劳裂纹而扩展·在此应力区域内交变应力和平均 应力的相对少量的变化都有可能导致材料损伤形式的复杂变化·图3C是FC区试样断口 的扫描电镜照片· :=520 MPa m=520 MPa bx=520 MPa =260 MPa =494 MPa =364 MPa =150 MPa 图3疲劳蠕变断口形貌 根据不同应力配合下的疲劳一蠕变交互作用断口形貌分析，发现DD3单晶合金在 930℃疲劳-蠕变交互作用下包括FF、FCF、CFF.CFC和CC5个断裂机构区，各 个断裂机构区的特点见文献[4]. 从图2中可发现：恒定最大应力下，在F区内，应变速率随交变应力的增加平均 应力的减少而增加；而在C区内，·测应变速率随平均应力增加交变应力减少而增加，这 样在FC区形成一个转折点·这种包括纯疲劳纯蠕变及疲劳一蠕变交互作用的最小应变 速率和应力的关系曲线以及根据材料的断裂机构进行区域划分为F、C'和FC3个基本 特征区和5个精细断裂特征区区界的图形称之为疲劳-蠕变交互作用应变速率断裂特征

19 6 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 5年 N o . 2 Unn U 01020 5 . C . 93 0℃ l 一 1 IH z S . W . — ! “ 一 6 0 0一 ( a二 : , ) ` 犷 4 8 5 M P a 4 16 M aP 5 20 M P a 3D肛=:编R D1.60. 一乔FFC 于 份 m ax) ` 最小 的 那 个 值 . 图 2 上 3 个 主要 区 域 的 划 分 对 应 于 材 料 在 疲 劳 一 蠕 变 交 互 下 可 能 发 生 的 3 种 主 要 断 裂 机 制 . 在 曲 线 的 上 部 的 F 区 内 , 交 变 应力 较 大 而 平 均 应 力 较 小 , 材 料 在 此 种 情 况下 , 空 穴 化 程 度 小 , 材 料 的破 坏 主要 是 由 疲 劳裂 纹 的形 核 和 扩 展 致 断; 其 试 样 断 口 和 纯疲 劳 断 裂 类 似 ( 图 3 a) . 在 曲 线 的下 部 C 区 内 , 交 变 应 力 较 小 而 平 均 应 力 相 对 较 大 , 此 种 情 况 下 材 料 内部 的 空 穴 化 占主 导 地 位 , 材 料 的 损 伤 主要 由 材 料 内部 空 穴 成 核 和 空穴 通 过互 相 连 接 长大 导 致 材 料 的 破 坏 , 其 试样 断 口 和 纯 蠕 变 的情 况 相 似 ( 图 3 b) . 在 续公舀气尹代艺万二Q 芝一d. . b ’., C F C 300 · 日 b 十 40 0 b 1 10 云二 i 。 , x 1 0 一 ’ / % 一 酬 50 - 一今二」 6 0 0 00 0 J 6`é 4 f`j, l 图 2 疲 劳蠕 变交 互作 用应 变速 率 断裂 特征 图 F 区 和 C 区 之 间 的 应 力 范 围 内 , 材 料 表 面 成 核 的 疲 劳 裂 纹 和 内 部 空 穴 交 互 作 用 , 内 部形 成的 空 穴 也 可 以 作 为 疲 劳 源 形 成 疲 劳 裂 纹 而 扩 展 . 在 此 应 力 区 域 内交 变应 力 和 平 均 应 力 的相 对少 量 的 变 化 都有 可 能 导 致 材 料 损 伤 形 式 的 复 杂 变 化 . 图 3c 是 F C 区 试 样 断 口 的 扫 描 电镜 照 片 . 图 3 疲劳 蠕变 断 口 形 貌 根 据 不 同 应 力 配 合 下 的疲 劳 一 蠕 变交 互 作 用 断 口 形 貌 分 析 , 发 现 D D 3 单 晶 合 金 在 93 0 ℃ 疲 劳 一 蠕 变 交 互 作 用 下 包 括 F F 、 F C F 、 C F F 、 C F C 和 C C S 个 断 裂 机 构 区 , 各 个 断 裂 机 构 区 的 特 点 见 文 献 { 4 ] . 从 图 2 中可 发 现 : 恒 定 最 大 应 力 下 , 在 F 区 内 , 应 变 速 率 随 交 变 应 力 的 增 加 平 均 应 力 的减 少而 增 加 ; 而 在 C 区 内 , · 则 应 变 速 率 随平 均 应力 增加 交 变 应 力 减 少 而 增 加 , 这 样 在 F C 区 形 成 一 个 转 折 点 . 这 种 包 括 纯 疲 劳 纯 蠕 变 及 疲 劳 一 蠕 变 交 互 作 用 的 最 小 应 变 速率 和应 力的 关 系 曲线 以 及 根 据材 料 的 断 裂 机 构 进 行 区 域 划 分 为 F 、 C 和 F C 3 个基 本 特 征 区 和 5 个 精 细 断 裂 特 征 区 区 界 的 图形 称 之 为疲 劳 一 蠕 变 交 互 作 用 应 变速 率 断裂 特 征

Vol.17No.2陈国良等：DD3单晶高温合金披劳-螨变复合作用下的形变特点 …197. 图，此特征图的建立为材料交互作用断裂机构分析打下基础，从图2可注意到F区较C 区更宽，说明DD3单晶合金930℃时抗疲劳的能力相对较弱而抗蠕变能力相对较强， 故此材料更适合用于工作在较为稳定状态的高温动力部件· 2.3应变速率最大应力修正方程 图2中也可看出最大应力对疲劳蠕变动态应变速率有较大的影响，最大应力的 增大不管在那个区域内都使应变速率加大·图4表示最大应力对最小应变速率的影响· 可看出最大应力在C区较F区的作用更为明显·最大应力的增加还可导致材料断裂机 构的变化，因此最大应力对材料的疲劳蠕变行为起着重要的作用· 在疲劳为主的F区，交变应力是主导应力，采用交变应力能够更好地描述应变速率 的变化规律，再由最大应力修正)来揭示蠕变应力对疲劳的交互作用；而在蠕变为主的 C区，平均应力为主导应力，应由平均应力描述应变速率的变化规律，再由最大应力修正来 揭示疲劳应力对蠕变的交互作用，因此F区和C区的疲劳蠕变应变速率由下列关系决定： 8r=A1Oo品x,8。=A0cx·系数A1、A2、a1g2B1、B,为材料常数，由实验数据 进行回归得到下列结果：A,=3.22×10-2,x1=3.1542,B,=7.1478;A2=1.23×10~2”, 2=5.2432,B2=3.4919. 对于处在F区和C区中间的应力范围的FC区，由于疲劳蠕变对材料的作用都是非 常大，故用F区和C区的最大应力修正方程叠加得到：er:=e,+e。· 图5是由最大应力修正方程得到的计算值和实验值的比较，结果表明两者符合较 好，这种建立在交互作用特征图基础上.的最大应力修正方程表明了交互作用的本质， 60 。a,:187.4MPa oF区 50:24.3 MPa. oC区 1000FC☒ 40 100 × 30 × 安 20 10 10 0 80 420460500540 101001000 最大应力cu/MPa 计算值，×10~7 图4最大应力对蠕变速率的影响 图5计算结果和实测值的比较 3结论 (1)疲劳一蟋变交互作用下，DD3单晶高温合金的动态变形曲线具有蠕变变形曲 线特征；恒定最大应力下最小应力的改变将会引起变形曲线的较大改变，F区和C区的 变形曲线有较大的差异，它们分别接近于纯疲劳和纯蠕变变形曲线

vo l . 17 N 6 . 2 陈 国 良等 : D D 3 单晶 高温 合 金疲 劳 一 蠕 变 复合 作用 下 的形变 特点 · 19 7. 图 . 此 特征 图 的建 立 为 材 料 交 互 作 用 断 裂 机构 分 析打下 基础 , 从 图 2 可 注 意 到 F 区 较 C 区 更宽 , 说明 D D 3 单 晶 合金 9 30 ℃ 时 抗 疲 劳 的 能 力 相 对较 弱 而 抗 蠕 变 能力相 对较 强 , 故 此 材 料 更 适 合用 于 工 作 在 较 为 稳 定 状 态 的 高温 动 力 部 件 . .2 3 应 变速率 最 大 应 力修正 方 程 图 2 中也 可 看 出 最 大 应 力 对 疲 劳 蠕 变 动 态 应 变 速 率 有 较 大 的 影 响 . 最 大 应 力 的 增 大 不 管 在 那 个 区 域 内都 使 应 变 速 率 加 大 . 图 4 表 示 最 大 应 力 对最 小 应变 速 率 的 影 响 . 可看 出最大 应 力 在 C 区 较 F 区 的作 用 更 为 明 显 . 最 大 应 力 的 增 加 还 可 导 致 材料 断 裂 机 构 的变 化 . 因此 最 大 应 力 对材 料 的疲 劳 蠕 变行 为起 着 重 要 的作 用 . 在 疲劳 为 主 的 F 区 , 交 变 应 力 是 主 导应 力 , 采 用 交 变应力 能 够更 好地描 述 应变 速 率 的 变 化规 律 , 再 由最 大 应 力 修正 〔’ ] 来 揭 示 蠕 变 应 力 对疲 劳 的交 互作 用 ; 而在蠕 变为主 的 C 区 , 平均 应力 为 主导 应力 , 应 由平均 应力 描 述应 变速 率 的变 化规律 , 再由最大 应力修正来 揭示 疲劳 应力 对蠕 变 的交 互作 用 . 因此 F 区 和 C 区 的 疲劳 蠕 变 应变 速 率由下 列 关 系决定 : 云f = A , :a’ :.a a 、 , 应 。 = A Z哈 。 氯 . 系 数 A , 、 丸 、 : 1 、 : 2 、 刀 1 、 刀 2 为 材 料 常数 . 由实 验数 据 进 行 回 归 得 到 下 列 结 果 : A I = 3 . 2 2 x 10 一 ” , : , = 3 . 15 4 2 , 刀 , = 7 . 14 7 8 ; A Z = l . 2 3 x l o 一 , , , : 2 = 5 . 2 4 3 2 , 吞 2 = 3 . 4 9 1 9 . 对于 处在 F 区 和 C 区 中间 的 应 力 范 围 的 F C 区 , 由于 疲 劳蠕 变 对 材 料 的 作 用 都 是 非 常 大 , 故 用 F 区和 C 区 的 最 大 应 力 修 正 方 程 叠 加 得 到 : 务 。 = 。: + 。 。 . 图 5 是 由 最 大 应 力 修正 方 程 得 到 的 计 算 值 和 实验 值 的 比 较 , 结果 表 明 两 者 符合 较 好 . 这种 建 立 在 交 互 作 用特 征 图基 础 上 的 最 大应 力 修正 方 程 表 明 了交互 作 用 的本 质 . 6 0 ` . 5 0 O F 区 o C 区 一. F C 区一 n ō 0 ` , Ol x 0 八U 4 气」 ·岁ù ` . 。一x 0- . 恻彰林 . a 一 : 187 鸿 M P a 一 2 叮. : 了一 24 . 3 M aP _ 1 / / ` _ / Z n ù 0 `, , . ` 小 创挤哥划 3 8 0 4 2 0 4 6 0 5 0 0 5 4 0 1 0 1 00 1 00 0 最 大应 力 『 。 . : / M P a 计算值 , x 1-0 , 目 4 最 大应 力 对 蠕 变速 率的影 响 图 5 计算 结 果和 实测值 的 比较 3 结论 ( l) 疲 劳 一 蠕 变 交 互 作 用 下 , D D 3 单 晶 高 温 合金 的 动 态 变 形 曲线 具 有 蠕 变变 形 曲 线特征 ; 恒定最大应力 下 最小 应力 的 改 变 将会 引起 变 形 曲 线的 较大 改 变 , F 区 和 C 区 的 变 形 曲线有 较 大 的差 异 , 它们 分 别 接 近 于 纯疲 劳 和 纯 蠕 变 变 形 曲线

·198* 北京科技大学学报 1995年No.2 (2)疲劳-蠕变交互作用应变速率特征图可以反映材料疲劳一蠕变交互作用的断 裂机制，DD3单晶合金有较强的蠕变抗力和相对较弱的疲劳抗力，适用于工作在 较稳定状态的高温动力机械部件· (3)建立在交互作用断裂特征图基础上的最大应力修正方程可用来计算材料在疲劳 一蠕变交互作用下的最小应变速率， 参考文献 1吴仲棠等，高强度低成本的DD3单晶合金·见：第七届高温合金年会论文集，厦门，1987.206 2 Taria S,Koterazawa R.Investigation on Dynamic Creep and Rupture of a Low Carbon Steel. JSME,1961,14:4 3陈国良，疲劳蠕变曲线和断裂特征图研究，航空材料（专刊)，1983,3：474 4陈国良，何庆复，在疲劳一辅变交互作用断裂特征图基础上的最大应力修正法.见：1985年国 际低周疲劳会议论文集，1985.531 5陈国良，郭宏，吴仲棠，一种镍基单晶高温合金的疲劳蠕变行为，见：铸造高温合金论文集， 北京：中国科学技术出版社，1993.134 (上接163页) 参考文献 1叶文，林勤，李文超·铺在低硫16Mn钢中的物理化学行为·中国稀土学报，1985,3(1)：55 2林勒，付庭灵，余宗森等，高碳钢中稀土元素与碳相互作用，中国稀土学报，1994,12(2)：146 3余宗森等.稀土在钢铁中的应用.北京：冶金工业出版杜，1987.139 4 Weiss I,Jonas J J.Interaction Between Recrystallization and Precipitation During the High Temperature Deferniation of HSLA Stells.Met Trans,1979,10(7):831 5吴木林.稀土加入方法及其在20MVB和20#低碳钢中作用机理的研究：[硕士论文J.北京科技 大学理化系，1989

· 19 8 , 北 京 科 技 大 学 学 报 1 99 5 年 N o . 2 ( 2) 疲 劳 一 蠕 变 交 互 作 用 应 变 速 率 特 征 图 可 以 反 映 材 料 疲 劳 一 蠕 变 交 互 作 用 的 断 裂 机 制 . D D 3 单 晶 合 金 有 较 强 的 蠕 变 抗 力 和 相 对 较 弱 的 疲 劳 抗 力 , 适 用 于 工 作 在 较 稳 定 状 态 的 高 温 动 力 机 械部 件 . ( 3) 建 立 在 交 互 作 用 断 裂 特 征 图基 础 上 的 最 大 应力 修 正 方 程 可 用 来计 算 材 料 在 疲 劳 一 蠕 变 交 互 作 用 下 的最 小 应 变 速 率 . 参 考 文 献 吴 仲棠 等 , 高 强度 低 成本 的 D D 3 单晶 合金 . 见 : 第七 届 高温 合 金年 会论 文集 , 厦 门 , 19 87 . 20 6 T a ir a S , K o t e r a az w a R . I n ves t i g a ti o n o n D yn a而 e C r e e P a n d R u P t u r e o f a L o w C a r b o n S t e e l . J S M E , 1 96 1 , 1 4 : 4 陈国 良 . 疲 劳蠕 变 曲线和 断裂 特 征图研 究 . 航 空 材 料 (专 刊 ) , 19 83 , :3 47 4 陈国 良 , 何 庆复 . 在 疲 劳 一 蠕变 交互 作用 断裂 特征 图基 础上 的最 大 应力 修 正 法 . 见 : 1 9 85 年 国 际 低 周疲 劳 会议论 文 集 , 19 8 5 . 5 31 陈国 良 , 郭 宏 , 昊 仲 棠 . 一 种镍基 单 晶高 温 合 金 的疲 劳 蠕 变 行 为 . 见 : 铸 造 高 温 合 金 论 文 集 . 北京 : 中 国 科 学技 术 出 版社 , 19 93 . 13 4 (上 接 16 3 页 ) 参 考 文 献 1 叶文 , 林 勤 , 李 文超 . 钵 在低 硫 16 M n 钢 中的 物理 化学 行 为 . 中国 稀 土学 报 , 19 85 , 3( 1) 二 5 2 林 勤 , 付庭灵 , 余 宗 森等 . 高碳 钢 中稀土 元素 与 碳相 互作 用 . 中国 稀 土学报 , 1 9 4 , 12 (2) : 1 46 3 余 宗森 等 . 稀土 在 钢铁 中的 应用 . 北 京 : 冶金 工业 出 版社 , 198 7 . 13 9 4 W e is s l , J o n as J J . I n t e r a e t i o n B e t w e e n R e e r y s t a ll i z a t i o n a n d P r e c iP i t a t i o n D u r i n g t h e H ig h eT m P e r a t u r e D e fe nr i a t i o n o f H S L A S t e ll s . M e t T r a ns , 1 9 7 9 , 10 (7) : 8 3 1 5 吴 木林 . 稀 土加 人 方法及 其 在 20 M n v B 和 20 # 低 碳钢 中作 用 机 理 的 研究 : 【硕 士 论 文 ] . 北 京 科 技 大 学理 化系 , 19 89