GH133合金高温低周疲劳研究

D0I:10.13374/j.issn1001053x.198M.01.023 北京解铁学院学报 1984第1期 GH133合金高温低周疲劳研究 北京钢铁学院陈国良王敬智 六二一研究所王海清陈红 摘 要 本文研究了GH133合金的循环应力应变反应和低周疲劳性能，并作了位错结 构和断口观察。通过对比拉压对称(R=一1)试验和恒定最大正应变(emx=C) 试脸，证明平均拉应力起降低寿命的作用。位错结构观察证明，循环使共格Y'质 点的相界处产生应力场，最终导致位错的萌生并运动，位错运动又进一步增殖位 错。位错运动方式是变化的，由成对切割Y'质点到单位错切割Y'质点和位错绕过Y' 质点。滑移带位错结构最终可以出现饱和的梯状结构，与典型的驻留带位错结构 相似。晶界和双晶界附近位错密度高，具有位带胞结构，同时可以出现沿晶界裂 纹和沿双晶界裂纹。 在循环交变作用下，材料的破坏过程可以分解为三个主要过程，即在循环作 用下产生的材料变形行为的变化，疲劳裂纹的形成和疲劳裂纹不断扩展，直到一 定的临界大小而发生最终破坏，这三个过程是不同的但又是相互联系的，宏观疲 劳现象可以在此基础上作出适当的说明。对于含有共格γ'沉淀相的低层错能奥氏 体合金，许多研究〔1一8〕指出，其循环反应往往是先循环硬化再循环软化，并 其有面排列位错结构。关于循环软化现象，一些作者认为〔8)，共格沉淀相在位 错往复切割下碎化而导致回溶，产生软化，更多的作者相信〔4〕，位错切割共 格相导致有序强化作用减弱或消失，产生软化。关于循环硬化则只在普通单轴变 形时的加工硬化理论基础上讨论。对于高温低周疲劳试验。由于温度和蠕变应 力，蠕变应变的共同作用，位错运动行为将更加复杂，它必然会影响疲劳裂纹的 形成和扩展过程。本文选用含2%左右Y'相（直径为20~30nm)的Fe一Cr一Ni 奥氏体合金，在600°C下作二种不同波形的低周疲劳试验，一方面观察其循环应 变和寿命变化，同时观察其位错运动特征，位错结构变化和断裂特征，企图把宏 观疲劳现象和微观的形变行为变化、裂纹的形成和扩展联系起来。 一、实验方法 以真空治炼的GH133合金试料，合金在200公斤真空感应炉中治炼，再进行真空门耗 重熔，开坯热轧到48×48mm,再轧制成中25毫米园棒。合金成分为： 88

， 北 京 栩 铁 学 院 学 报 策 期 合金高温低周疲劳研究 湘 京钢 铁 学院 陈 国 良 王 敬 智 六 二 一研 究所 王 海清 陈 红 摘 要 本文研究了 合金的循环应力应变反应和低周疲劳性能 ， 并作 了位错结 构和断 口观察 。 通过对 比拉压对称 一 试验和恒定最大正 应 变 “ 二 试脸 ， 证明平均拉应力起降低寿命的作用 。 位错结构观察证明 ， 循环使共格 尹质 点的相界处产生应力场 ， 最终导致位错的萌生并运 动 ， 位错运 动又 进一步增殖位 错 。 位错运动方式是变化的 ， 由成对切割训 质 点到单位错切割丫‘ 质点和位错绕过 ‘ 质点 。 滑移带位错结构最终可 以出现饱 和的梯状结构 ， 与典 型的驻 留带位错结构 相似 。 品界和双 晶界 附近位错密度高 ， 具 有位错胞 结构 ， 同时可 以出现沿晶界裂 纹 和沿 双晶界 裂纹 。 在循环交变作用下 ， 材料 的破 坏过程可 以分解为三个主要 过程 ， 即在循 环 作 用下产生 的材料变形行为的变化 ， 疲劳裂纹的形成 和疲劳裂纹不 断扩展 ， 直 到一 定的临界大小而发生最终破坏 ， 这 三个过程是不 同的但又是相互联系的 ， 宏观疲 劳现象可 以在此基础上作出适当 的说明 。 对 于 含有共格丫‘ 沉淀相的低层错能奥氏 体合金 ， 许多研究 〔 一 指 出 ， 其循环 反 应往往是先循环 硬化再循环软化 ， 并 具有面排列位错结构 。 关于循环软化现象 ， 一 些 作者认为 〔 〕 ， 共格沉淀相在位 错往复切割下碎化而导致回溶 ， 产生 软化 ， 更 多的作者相信 〔 〕 ， 位 错 切 割 共 格相导致有序强化作用减弱或消失 ， 产生软化 。 关于循环 硬化则只在普通单轴变 形时的加工 硬化理论基 础上讨论 。 对于 高温低周 疲劳试验 。 由于温度 和 蠕 变 应 力 ， 蠕变应变的共同作用 ， 位错运 动行 为将更 加复杂 ， 它必 然会影响疲劳裂纹的 形 成和扩展 过程 。 本文选用 含 左右丫‘ 相 直径 为 的 一 一 奥 氏体合金 ， 在 下作二 种不 同波形的低周 疲劳试验 ， 一 方面观察其循环应 变和寿命变化 ， 同时观察其位错运 动特征 ， 位错 结构变化和 断裂特征 ， 企 图把宏 观疲劳现象和微观的形变行为变化 、 裂纹的形 成和扩展联 系起 来 。 一 、 实 验 方 法 以真空 冶炼的 荃 合金试料 ， 合金在 。 公 斤真空感应 炉 中冶炼 ， 再进行真空 自耗 重 熔 ， 开坯热轧到 又 ， 再轧制成小 毫米 圆棒 。 合金成分 为 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．01．023

炉 C Si P Cr Mo V Ti B Ni W 718-533 0,05 0,18 0,007 0.005 13.98 1.37 0.30 0.34 1.78 0.0062 26.65 1.21】 试样由圆棒上切取，试样直径为中8毫米，标距长为24毫米。热处理制度为：980°C 固溶处理1小时汕冷，再在720°C时效16小时后，空冷。金相组织见图1。 试样在国产10屯低周疲劳试验机上进行，它可以实现温度、固定应力或应变闭环式循 环控制。试验机的静载精度为满足负荷的1%，动载精度为满足负荷的3%，用光电变形仪 (轴向)测量变形，相对误差为0.02%，最大量程为1毫米，试样采用感应加热，标距内 的温度梯度为10°C,实验温度为600°C,恒温试验，采用的波形为三角波，恒总应变控 制。有两种试验条件，一种是R=-1,另一种是恒最大正变形量(em=0.85%)试验， 前者频率为0.33HZ左右，由于保持固定的应变速度，所以频率实际上是变化的。后者采 用固定最大正变堂的办法，因此可以同时严格保持频率固定于0.33HZ和固定应变速度。这 种试验方法的特点是，随交变变形范围改变，平均变形量也改变，交变变形量愈大，平均 变形量愈小。因此可以反映平均变形量和交变变形范围二者同时作用，试验测得的温度、 应变、应力都可以在相应的数字表上显示出来，同时输给x一y记录仪，绘出整个实验过 程中的应力一应变迟滞回线，试样一断立即断电冷却，以便变形结构固定下来。 对拉断试样作分析，采用S一G0C扫描电镜做断口分析，对拉断试样的纵切面进行金 相观察。 在断口附近取横切面和纵切面，厚度为0.3毫米的薄片，在金相砂纸上暗薄，再进行 双喷减薄穿孔。电解液为10%高氯酸加90%酒精，温度控制在-20°C左右，电流为20一30A。 薄膜试样用EM一400T透射电镜作观察并照相。 二、实验结果 1.疲劳试验结果 R=~1,恒应变速度，恒应变控制低周疲劳试验的结果可以归纳成以下儿点： (1)GH133合金具有较大的循环软化倾向。这主要反映在△P一N曲线的变化趋势上。 这种循环软化的程度与交变应变振幅值有关，见图2(a)(b)(c)。可见，随交变应变振幅增 加，循环软化程度加剧，当交变应变振幅值小于1%时，这种循环软化现象不很明显。当 △r为0,5%时，还有硬化现象。应该指出，当进入疲劳后期时，会出现一个交变载荷（△P) 明显下降的现象。 (2)由图2看出，对于R=-1的试验来讲，平均应力(Pmean)大体是等于略大于零 的正值并且在疲劳过程中没有明显的变化，只是在疲劳后期，才有明显下降的现象，而且， Pmean开始明显下降的周次基本上与出现△P明显下降的周次相同。 (3)宏观裂纹出现后，随着其扩展，△P、Pmean同时大幅度降低，滞后回线出现严 重不对称或畸变，按照文献〔9〕的报导，对窗强度Ni基合金来说，交变载荷范围降低5% (自稳定交变载荷算起)相当于产生0.3一0.7毫米长的表面裂纹，此时的寿命称为N5, 这个寿命的实际意义在于这样长的表面裂纹正是一般萤光渗透法可以测出的长度，不过， 89

二长 一产屯 苏有节不片了下年苛犷布林井苛 止竺全 ‘ 。 · 。 小 · ‘， 。 · 。 。 了 · 。 。 ， · ” 卜 了 … 。 · 。 卜 ，‘ 卜 ，‘ ， · ，，叫 ，‘ · “ ， · ‘ ， 试 样由圆棒上 切取 ， 试 样直径 为小 毫米 ， 标距 长为 毫米 。 热处理 制 度 为 固溶处理 小时 油冷 ， 再在 时效 小 时后 ， 空 冷 。 金相组织见 图 。 试 样在国产 屯低周疲劳试验机上进 行 ， 它可 以实现温度 、 固定应 力或应变闭环式 循 环控制 。 试验机 的静载精度为满足 负荷的 ， 动载精度 为满足负荷的 ， 用光 电变形 仪 轴向 测 量 变形 ， 相对误差 为 ， 最大量程 为 毫米 ， 试样采用感应加热 ， 标 距 内 的温度 梯度为 ， 实验温度为 。 。 ， 恒温试验 ， 采用的波形为三 角 波 ， 恒 总 应 变控 制 。 有两 种试验条件 ， 一 种是 二 一 ， 另一 种是恒最大正 变形量 ， 。 、 试 验 ， 前者频率为 左 右 ， 由于保持 固定的应 变速度 ， 所 以频率实际上是变化的 。 后 者 采 用固定最大正 变量 的办法 ， 因此可 以 同时严格保持频率 固定于 和固定应变速 度 。 这 种试 验方法 的特点是 ， 随交变变形范围改变 ， 平 均变形量 也改变 ， 交变变形盘愈大 ， 平均 变形量 愈小 。 因此可 以反 映平均变形量 和交变变形范围二 者同时作用 ， 试验侧得的温度 、 应变 、 应力都可 以在相应 的数字表上显 示 出来 ， 同时输给 一 记录仪 ， 绘出整个 实 验 过 程 中的应力－ 应 变迟 滞回线 ， 试 样一 断立 即断 电冷却 ， 以便变形结构固定下 来 。 对拉断试样作分析 ， 采用 一 扫描 电镜做 断 口 分析 ， 对拉断试样的纵切 面 进 行 金 相观察 。 在断 口 附近 取横切 面和纵切面 ， 厚度为 毫米的薄片 ， 在金相砂纸上磨 薄 ， 再 进行 双喷减薄穿孔 。 电解液为 高氯酸加 酒 精 ， 温度控制在 一 左右 ， 电流为 一 。 薄膜试样用 一 透射 电镜作观察并照相 。 二 、 实 验 结 果 ， 疲劳试验结果 一 ， 恒应变速度 ， 恒应 变控制低周疲劳试验的结果可 以归纳成 以 下 儿点 合金 具有较大的循环软化倾 向 。 这主 要反映在△ 一 曲线 的变化趋势上 。 这种循环软化 的程度与交变应 变振幅值有关 ， 见 图 。 。 可 见 ， 随交 变应 变振幅增 加 ， 循环软化程度加剧 ， 当交变应变振幅值小于 时 ， 这种循环 软化现 象不很 明 显 。 当 △衍为 。 时 ，还有硬化现 象 。 应该指 出 ， 当进入 疲劳后期时 ， 会 出现一个交变载荷 △ 明显下降的现象 。 由图 看出 ， 对 于 一 的试验 来讲 ， 平均应 力 大体是等于略大于零 的正值并且在疲劳过程 中没 有明显 的变化 ， 只 是在疲劳后 期 ， 才有 明显下 降的现象 ，而且 ， 开始明显下 降的周 次华本上与出现△ 明显下 降的周次相 同 。 宏观裂纹 出现后 ， 随着其扩展 ， △ 、 同时大幅度降低 ， 滞后 回线 出现严 重 不对称或畸变 ， 按 照文献 〔 〕 的报导 ， 对 高弧度 墓合金 来说 ， 交变载荷范围降低 自稳定交变载荷算起 相 当于产生 一 毫 米长的表面裂纹 ， 此时的寿 命 称 为 ， 这个 寿命的实际 意义在于这样 长的表面裂纹正 是一般萤光渗透法可以侧出的长度 ， 不过

在循环软化的条件下，还是以△P,Pmean:突然大幅度下跌为标记比较方便。实践证明， 从0.3一0.7mm宏观裂纹扩展到试样断裂所需的循环数（即N:与Ns之差值），随Aer而 变，△r小时，需要更多的循环才能致断。但是，它占总寿命的百分数却相反，是随△er变 小而降低的。 恒eax,恒频率（也是恒应变速率）疲劳循环反应结果示于图3a、b,由△P一N关系 可见，与R=-1的循环反应相似，也有循环软化现象，尤其是当△er>0.8%时更明显一些。 当△er<0.8%时，循环软化不很明显，而有循环硬化。这种试验的特点是Pmean保持在相 对较高的水平上，但它受△er值的影响，当△er值较小时，Pmean较大（图3b)。当△er较 大即愈接近对称负荷时，Pmean逐步降低，直到接近于零的值，从本次试验来看，△er≥1% 时Pmean已降低到接近零了，当出现宏观大裂纹以后，△P和Pmean同样有明显的降 低。 测出的疲劳数据符合Coffin一Manson公式，无论是拉压对称试验或恒定最大正应变 值的试验，都可以用以下公式描述： △ew=C1N&B △e.=CzNB'+K △et=△ey+Ae。=C1NiB+C,N:B'+K 图4a、b分别为代表在拉压对称和恒定最大应变值下的疲劳曲线。 2.扫描电镜断口分析 断口上可以见到明显的瞬断区和疲劳区，疲劳区有疲劳源及疲劳裂纹扩展区二个部 分，一般疲劳源多沿表面区，在表面区可以见到的主要形态是一阶段裂纹(Stage I)和 沿双晶界、沿晶界裂纹（图5a、b)而且表面有浮突。Stage I裂纹很快就转为二阶段裂 纹(StageⅡ)（图5b)在距表面稍远一些为疲劳扩展区，主要是StageⅡ裂纹，有明显 的疲劳条纹，但是也有Stage I裂纹，沿双晶界和沿晶裂纹及二次裂纹（图6a)对于emx恒 定的试验来说比较容易出现轮胎花样（图6b),尤其是在△e较大的试验条件下，还可 以看到疲劳扩展区里有疲劳条纹或轮胎花样与韧窝共存（图6b),比较不同△εr试验的断 口可见。当△er较小时，Stage I和沿晶界裂纹（包括沿双晶裂纹）增多，当△er较大时， 沿晶及StageⅡ裂纹较多，而且疲劳条纹的宽度也增加。 8,薄膜试样观案位错结构 薄膜观察到位错结构的不均匀性，在离开品界较远的地方，最大的特征是存在条带状 的位错密集的滑移带（图7）。这是形变比较集中的地带，这些滑移带的宽度是不均匀的， 较宽的约0.1一0.4μm,细的小于0.05μm左右，细带分布比较分散，带间距离并不一致， 但一般间距较小约0.5μm以下，而粗滑移带之间距离一般较大，约在1.5μm左右。随着交 变变形量增大，滑移带增多，间距变小，交叉的带也增多。在滑移带之间的地区，位错密 度较小（图7）。用更高的放大倍数来观察（图8a、b、c、d、e、f)。可以看到滑移带 内Y'质点相界附近有很强的应力场衬度（图8a)。只看到少量位错对（图8b),大部分 是不成对位错。一些滑移带内的位错结构与典型的驻留带位错结构很相近，也是梯形位错 结构（图8c),另外有-一些滑移带的位错结构比较复杂，可以看到有位错偶（图8d中的D), 位错圈（图8e)。有些地方，位错和y'的衬度与Kear〔10〕帼明的部分位错和层错相似 (图8a中P),还可以见到由滑移带向滑移带以外放射位错的情况（图8c),以及交变滑 90

在循环 软化的条件下 ， 还是以△ ， 突然大幅度下跌为标记 比较方便 。 实 践证 明 ， 从。 一。 对观裂纹扩展 到试样断裂所需的循 环 数 即 ，与 之 差 值 ， 随 八。 而 变 ， △针小时 ， 需要更多的循环 才能致断 。 但是 ， 它 占总寿命的百分数却相反 ，是 随△。 变 小而降低的 。 恒‘ “ ， 恒频率 也是恒应变速率 疲劳循环反应 结果示 于 图 、 ， 由△ 一 关 系 可见 ， 与 一 的循环反应相似 ， 也有循环软化现象 ， 尤其是 当△ 丁 时更 明显一 些 。 当△。 时 ， 循环软化不很明显 ， 而有循环硬化 。 这种试验的特点是 保持在相 对较高的水平上 ， 但它受△。 值的影 响 ， 当△ 值较小时 ， 较大 图 。 当△。 较 大即愈接近对称负荷时 ， 逐步降低 ， 直到接近于零 的值 ，从本 次试 验 来看 ，△‘ 时 已降低到接近零 了 ， 当出现宏观大裂纹 以 后 ， △ 和 同 样 有 明 显 的 降 低 。 测 出的疲劳数据符合 一 公 式 ， 无论是 拉压 对称试 验或恒定最大正 应 变 值的试验 ， 都可 以用 以下 公式描述 △ ， ，一 夕 △仑。 ，一 夕， △ 二 △ ， △ 。 二 一 刀 一 口‘ 图 、 分别为代表在拉压 对称和恒定最大应 变值下 的 疲劳曲线 。 扫描电镜断 口 分析 断 口 上可 以见 到 明显 的瞬断区和疲劳 区 ， 疲劳区有疲劳源及 疲劳裂纹扩 展 区二 个 部 分 ， 一般疲劳源多沿表面 区 ， 在表面 区可 以见到的主要形态是一 阶段 裂纹 和 沿 双 晶界 、 沿晶界 裂纹 图 、 而且表面有浮突 。 工裂纹很快就 转 为 二 阶段 裂 纹 五 图 在距表面 稍远一 些为疲劳扩展 区 ， 主要是 五裂 纹 ， 有 明 显 的疲劳条纹 ， 但是也有 工裂纹 ， 沿双晶界 和沿 晶裂纹及二 次裂 纹 图 对于‘ 。 二 恒 定的试验来说比较容易出现轮胎花样 图 ， 尤其是在△幼较大的试 验 条 件 下 ， 还 可 以看到疲劳扩展 区里有疲劳条纹或轮胎花样与韧窝共存 图 ， 比较不 同△。 试验 的断 口 可见 。 当△针较小时 ， 工和 沿 晶界裂纹 包括沿双 晶裂纹 增多， 当△。 较 大时 ， 沿 晶及 五裂纹较多 ， 而且 疲劳 条纹 的宽度 也增加 。 。 薄膜试样观察位错结构 薄膜观察到位错结构的不均匀性 ， 在离开 晶界较远 的地方 ， 最大的特征是存在条带状 的位错密集的滑移带 图 。 这是形变比较集 中的地带 ， 这 些滑移带的宽度是不 均 匀的 ， 较宽的约 。 一。 林 ， 细的小于 件 左 右 ， 细带分 布比较分散 ， 带间距离并不一 致 ， 但一般间距较小约。 卜 以下 ， 而粗 滑移带之 间距离一般较 大 ， 约在 卜 左 右 。 随着交 变变形量增大 ， 滑移带增多 ， 间距变小 ， 交叉 的带也增多 。 在滑 移带之 间的地 区 ， 位错密 度 较小 图 。 用更 高的放大倍数来观察 图 、 、 、 、 、 。 可 以 看到 滑 移 带 内丫‘ 质点相界 附近有很强 的应力场衬度 图 。 只 看到少量 位 错对 图 ， 大 部 分 是不成对位错 。 一 些滑移带内的位错结构与典型 的驻 留带位错 结构很相近 ， 也是梯形 仙错 结构 图 ，另外有一 些 滑移带的位错结构 比较复杂 ， 可 以看到有位错偶 图 中的 ， 位错圈 图 。 有些地方 ， 位错和丫‘ 的衬度与 〔 〕 闸 明的部分位错和层 错 相似 图 中 ， 还 可以见 到 由滑移带向滑 移带以外放射位错的情 况 图 ， 以及 交变 滑

移痕迹（图8e、f)。并未发现在滑移带内的Y'质点有溶解现象，围绕Y'质点的位错圜有 时不是围绕某单个Y'质点，而包围几个Y'质点（图8e)。 品界附近位错结构更为复杂一些。许多滑移带一直延伸到晶界，晶界区域在基体位错 的作用下产生复杂的晶界位错结构。晶界附近区域的位错结构有变为胞状结构的趋势（图 9c、d)。有些滑移带可以中止在双晶界处（图9e)。 三、结果讨论 上述试验结果说明，含少量Y'共格质点的GH133合金的600°C循环应变反应，表现为 循环硬化和循环软化的竞争，当交变应变量较小时，有一段循环硬化，以后趋于稳定，随 着交变应变量增大，循环软化现象加剧，循环硬化段缩短以致消失，循环应变波形对循环 应变反应的上述特征影响很小，只是，对于恒em试验来说，当交变应变量小时，存在 一个较大的平均拉应力。循环硬化和循环软化都直接与位错的增殖、位错运动和位错消失 相联系，根据薄膜电镜观察，值得强调以下几点： 1.合金的原始组织具有较低的位错密度，Y~Y'相界应力场不明显（图1）。由于Y基体 和Y'相的弹塑性形变特性不同，在交变应变作用下，这种不协调导致Y-Y'相界应力场， 因此可以看到有明显的Y-Y'相界应力场村度（图8a),随着交变应变进行，应力场逐步 加刷到一定程度，该处出现新的位错。为了确证这一现象的重要性，专门观察一个只循环 几次(N<10)的试样，图10为其薄膜样品的透射电镜照片，可以清楚地看到Y一Y'相界 应力场衬度和位错的萌生，先是在Y一Y'相界有许多彼此独立的应力场村度，然后当应力 场大到一定程度时，几个彼此独立的应力场区连接起来出现新的位错线，这一个过程的后 果是增大位错密度和增加位错运动阻力，是一种循环硬化现象。在循环初期，由于位错密 度低和其他位错增殖方式的作用较小，所以这个过程的重要性更加突出。 2.位错理论指出，位错运动本身总体有各种位错增殖方式，所以随着循环积累应变量增 加，Y基体位错密度增加，造成Y基体的硬化，这是循环硬化现象的一个方面。此外，循环 硬化还可能是位错与Y'质点交互作用的结果。根据文献〔11)，对于本类合金，位错倾向 于成对方式切割Y'质点，但是本实验只看到少量的成对位错运动（图8b),大量的是不成 对位错运动。高温下，不成对位错切割通过有序的Y'质点时（此时交叉滑移是可能发生 的)，必然会生成反相畴及层错，正如Y'有序合金的交叉滑移强化机构一样〔12一14〕， Y'质点将变得愈来愈难于被切割，这是循环硬化现象的另一个方面。图11给出一个清晰的 证据，在直径为20~30μm的Y'质点上有清楚的黑白相间的条纹衬度，或全黑色的衬度，证 明的确有部分位错、层错、反相畴等结构（正如Kear等指出的那样〔10、13〕）。上述结 果与ANTON[1]得到的结果一致，他指出，随着循环进行，不成对位错运动愈来愈多， 因为反相畴的存在使成对位错运动的好处消失。但是根据本实验结果，我们认为这一现象 可能是与应力场萌生位错现象相联系的。 3,薄膜样品的透射电镜试验还观察到许多可以导致循环软化的位错运动，首先，随着Y' 质点愈来愈难被切割，在高温交变应变作们下，位错通过γ'质点的方式会山切割方式 转变为绕过方式。12、b证明存在许乡位错倒、位错弯弓以及交叉滑移式位错线，因 此，可以认为，位错绕过Y'质点的方式可以是交叉滑移，也可以是Oown弯弓机制，这种 91

“ ’ “ 气汀甲 甲 氏 一 ， 奋 移痕迹 图触 、 。 并未发现在滑移带内的 ‘ 质点有溶解现 象 ， 围绕丫’质点的位错圈有 时不 是 围绕某单个 ‘ 质 点 ，而包 围几 个洲 质点 图 。 晶界 附近 位错结构更 为复杂一 些 。 许多滑移带一直延 伸到晶界 ， 晶界 区域在基体位错 的作用下产生 复杂的 晶界位错结构 。 晶界 附近 区域的位错结构有变为胞状结构的趋势 图 、 。 有些 滑移带可 以 中止在双晶界 处 图 。 三 、 结 果 讨 论 亨本 上述试验结果说明 ， 含少 量了 共格质点的 合金 的 。 。 。 循环应 变反应 ， 表现 为 循环 硬化 和循环 软化 的竞争 ， 当交变应 变量较小时 ， 有一 段循环硬化 ， 以后趋于稳定 ， 随 着交变应 变量 增大 ， 循环软化现 象加剧 ， 循环硬化 段缩短 以致消失 ， 循环应变波形对循环 应 变反应的上述 特征影 响很 小 ， 只 是 ， 对 于恒‘ 。 试验来说 ， 当交变应 变 量 ’ 小 时 ， 存 在 一个较大的平 均 拉应力 。 循环 硬化和循环软化都直接 与位错的增殖 、 位错运动和位错消失 相联 系 ， 根据薄膜 电镜观察 ， 值得强 调 以下 几点 合金 的原 始组 织具 有较低的位错密度 ， 丫 一 ‘ 相界应 力场不 明显 图 。 由于 基体 和 尹 相的弹塑性 形变特性不 同 ， 在交变应变作用下 ， 这 种不 协调导致丫 一 训 相界应 力场 ， 因此可 以看到有明显 的 一 丫产 相界应 力 场衬度 图 ， 随着交变应 变进行 ， 应力 场逐步 加剧到一定程度 ， 该 处 出现新的位错 。 为 了确证这一 现 象的重要性 ， 专门观察一个只循环 几 次 的试 样 ， 图 为其薄膜 样 品的透射 电镜照 片 ， 可 以清楚地看到丫一训 相界 应 力场衬度 和位 错的萌生 ， 先是在丫 一 洲 相界 有许多彼此 独立 的应力 场衬度 ， 然后 当 应 力 场大到一定程度 时 ， 几个彼此独立 的应 力 场 区连接 起 来出现新 的位错线 ， 这一 个过 程 的后 果是增大位错密度 和增加位错运 动 阻力 ， 是一 种循 环 硬化 现 象 。 在循 环 初期 ， 由于 位错密 度 低和其他位错增殖 方式的作用较小 ， 所 以这个 过程的重要性 更 加 突出 。 位错理论 指出 ， 位错运 动本身总体有各种位错增殖方式 ， 所 以 随着循环 积 累应 变量增 加 ， 丫基体位错密度增加 ， 造 成丫基 体的硬 化 ， 这 是循环硬化现象的一 个方面 。 此 外 ， 循环 硬化还可能是位错与丫‘ 质点交互作用的结果 。 根据文献 〔 〕 ， 对 于本类合金 ， 位错倾向 于 成对方式切割丫 质点 ， 但是本实验只 看到少 量 的成对位错运动 图 ， 大量 的是不 成 对 位错运 动 。 高温下 ， 不 成对位错切割通过有序的衬质 点时 此时交叉滑移是 可 能 发 生 的 ， 必 然会生 成反相畴及层错 ， 正 如 尹 有序合金 的交叉滑移强化机构一 样 〔 一 〕 ， 训 质点将变得愈来愈难于被切割 ， 这 是循环 硬化现 象的另一个方面 。 图 给出一 个 清晰的 证据 ， 在直径 为 卵 的训 质点上有清楚 的黑 白相 间的条纹衬度 ， 或全 黑 色 的衬度 ，证 明的确有部分位错 、 层错 、 反相畴等结构 正如 等指出的那 样 〔 、 〕 。 上述 结 果 与 〔 〕 得到的结果一 致 ， 他指 出 ， 随着循环进行 ， 不成对位错运 动愈来愈多 ， 因为反 相畴的存在使成对 位错运动的好处消失 。 但是根据本实验 结果 ， 我们认为这 一 现 象 可能是 与应 力场萌生 位错现 象相联系 的 。 薄膜样 品的透射 电镜试验还观察到许多可 以导致循环 软化的位错运 动 ， 首先 ，随 着 ‘ 质 点愈来愈 难被 切制 ， 在 高温 交变应变作用下 ， 位错通 过丫‘ 质 点的 方 式 会 山 切 割 方 式 转变为绕过方式 。 图 、 证 明存在许多位错 圈 、 位错弯 弓以及交叉滑移 式 位 错 线 ， 因 此 ， 可 以认为 ， 位错绕过 丫‘ 质 点的方式可 以是交又 滑移 ， 也可 以是 弯 弓机制 ， 这种

1 位错通过Y'质点方式的转变是一种重要的软化过程。其次在高温交变应变作用下，在位 错密度很高的粗滑移带内，位错可以通过各种途径消失，最终达到位错增殖与消失相平衡 的饱和状态。图8c示出一种类似梯状的位错结构，它与驻留带的典四位错结构相像，相信 这就是一种饱和位错结构。在形成这种饱和结构以后，可以通过向外放射位错方式继续形 变（见图8c)。显然这些区域是“软”的区域，循环初期有许多细滑移帮，随着循环进 行，粗滑移带增多，其位错结构最终变为似梯状的饱和结构。 总之，上述讨论说明，在温度和交变应变的联合作用下，硬化和软化都不断地进行， 互相依赖，互相影响，互相竞争。一般讲，在循环初期，位错密：低，硬化机制起主导作 用，随后，随着位错密度和积累变形量增加，软化作用加剧，甚至起主导作用。因此，循 环应变反应通常表现为先硬化后软化。当交变应变量小时，硬化作用能特续较长，软化作 用发挥不充分，因此，如图2a、3a所示，循环反应表现为先硬化后稳定。当交变应变量大 时，硬化机制开动的剧烈，硬化阶段持续较短，饮化作用进行的充分，以致不能出现循 环稳定，循环软化占主导地位，如图2c、3b所示。改变交变应变波形并不能从根本上改 变上述种种硬化和软化机制，因此，对于拉压对称的试验和恒ex试验，其显微结构上没 有原则性区别。 显微结构的变化和裂纹的形成有一定的联系。在二个粗滑移带交义处，位错密度极 高，结构复杂，很可能是沿滑移带裂纹的发源地。在晶界和双晶界附近，在滑移带的冲击 下，即在晶内位错群与晶界交互作用下，晶界可能产生扭折，并诱发相邻品粒内的位借运 动。前者可能导致出现沿晶界和双晶界裂纹，后者说明晶界有位错源的作用，可以放出大 量的位错，使品界和双晶界附近的位错密度增高。图13给出一个清晰的证据。 下面对拉压对称试验和恒ex试验作进一步的对比讨论，图14指出，在交变应变量 较大的区域（例如△>0.8%），二种波形的寿命相近，但当交变应变量较小时，恒 x试验的寿命要短一些。由图3可知，当交变应变量小时，恒emx试验的最大特点是存在 一个较大的平均拉应力，前已说明，这种平均拉应力并不根本改变循环应变反应中的位错 运动本质，但这种平均拉应力的存在却可能促使裂纹提早形成，从而使寿命降低。事 实上，如果对比拉压对称试验和恒em试验时的1s寿命，可以看到恒em试验的5寿命要 小，这就说明，达到一定裂纹长度的循环次数要小，也即对恒e试验，裂纹的形成和初 期长大是较快的。这是降低寿命的主要原因。 感 谢 本试验用钢是上钢五厂冶炼及热加工的，是由上汽厂提供的。试验中得到621所25室 热疲劳组和北京钢铁学院物质结构中心电镜组的大力支持。中国科学院柯伟同志还对本文 提供了很好的意见，特此表示感谢。 92

位错通过丫‘ 质点方式的转变是一种重要的软化过程 。 其次在高温和交变应变作用 下 ， 在位 错密度很高的粗滑移带内 ， 位错可 以通过 各种途径 消失 ， 最终 达到位错增殖与消失相平衡 的饱和状态 。 图 示 出一种类似梯状 的位错结构 ， 它与驻 留带的典型 位错结构相像 ， 相 信 这就是一种饱和位错结构 。 在形成这 种饱 和结构以后 ， 可 以通过 向外放射位错方式继 续形 变 见图 。 显 然这些 区域是 “ 软 ” 的 区 域 ， 循环 初期有许多 细滑移带 ， 随 着 循 环 进 行 ， 粗滑移带增多 ， 其位错结构最终变为 似梯状的饱 和结构 。 总之 ， 上述讨论 说明 ， 在温度和交变应 变的联合作用下 ， 硬 化和软化 都不 断地进 行 ， 互相依赖 ， 互相影响 ， 互 相竞争 。 一般讲 ， 在循环初期 ， 位错密度 低 ， 硬化机制起主 导 作 用 ， 随后 ， 随着位错密度 和积累变形量增加 ， 软化作用加剧 ， 甚至 起主 导 作用 。 因此 ， 循 环应变反应通常表现为先硬化后软化 。 当交变应 变量 小时 ， 硬化作用能持续较长 ， 软化作 用发挥不充分 ， 因此 ， 如图 、 所示 ， 循环反应 表现为先 硬 化后稳定 。 当交变应 变量 大 时 ， 硬化机制开动的剧烈 ， 硬化阶段 持续较短 ， 而 软化作用进 行的充分 ， 以致不能 出现 循 环稳定 ， 循环软化 占主导地位 ， 如图 、 所 示 。 改变交变应 变波形并不能从根 本 上 改 变上述种种硬化和软化机制 ， 因此 ， 对于 拉压对称的试验 和 恒‘ “ 试验 ， 其显微结 构上没 有原则性区别 。 显 微结构的变化和裂纹的形成有一定的联 系 。 在二个粗滑移带交义处 ， 位 错 密 度 极 高 ， 结 构复杂 ， 很可能是沿滑移带裂纹的发源地 。 在 品界 和双 晶界 附近 ， 在 滑移带 的冲击 下 ， 即在晶内位错群与晶界交互作用下 ， 晶界可能产生扭折 ， 并诱发相邻品粒 内的位错运 动 。 前者可能 导致出现沿晶界和双晶界裂纹 ， 后 者说明晶界有位错源 的作用 ， 可 以 放出大 量 的位错 ， 使晶界和双 晶界附近 的位错密度 增高 。 图 给出一 个清晰的证据 。 下面对拉压对称试验和恒 ‘ 。 二 试 验 作进一步的对 比讨论 ， 图 指 出 ， 在交变应 变量 较大的区域 例如△气 ， 二 种 波形的寿命相近 ， 但当交 变 应 变 量 较 小 时 ， 恒 。 。 “ 试验的寿命要短一些 。 由图 可知 ， 当交变应变量小时 ， 恒‘ 。 试验的最大特点是 存在 一个较大的平均拉应力 ， 前 已说明 ， 这种平均拉应力并不根本改变循环应变反应 中的位 错 运动本质 ， 但这种平均拉应力的存在却可能促使裂纹提 早 形 成 ， 从 而 使 寿 命 降 低 。 事 实上 ， 如果对 比拉压 对称试验和恒 二。 试验时的宜。 寿命 ， 可 以看到恒已二。 试验的宜。 寿命 要 小 ， 这就说明 ， 达到一定裂纹长度的循环 次数要小 ， 也即对恒肠 。 试验 ， 裂纹的 形 成 和初 期长大是较快的 。 这是降低寿命的主要原 因 。 感 谢 本试验用钢是上钢五厂 冶炼及热加工的 ， 是 由上汽厂提供的 。 试验 中 得 到 所 室 热疲劳组和北京钢铁学院物质结构中心 电镜组的大力支持 。 中国科学院柯伟同志还对本文 提供了很好的意见 ， 特此表示感谢

卷考文献 C1]ANTON,D.L and FINE,N.E.,Met Trans.,13A (1982)1187 C2)wells.C.H.and Sullivan C.P.,ASM Trans.57 (1964)841 C3)STOITZ.R.E and pineau.A.G.,Mater.sci,Eng.34 (1978)275 C4)Calabrese,C.and Laird C.,Mater,sci.Eng.13 (1974)141 [5)Bhat.s.p.and Laird C.,Acta Met,27 (1979)1873 C6]Broom.T.,Mazza J.A.and Whittaker V.N.,J.Inst,Metall. 86(1957)17 C7)Sargent C.M.and purdy G.R.Scripta Metall,B (1974)569 [8]Abel.A and Ham.R.K.,Acta Met 14 (1966)1495 〔9)Cowles,B。A,Sims.D.L.,Warren,J.R。and Miner.R.V,Trans. ASME.J.Eng,Mater and Tech.102 (1980)356 C10]Kear.B.H.Lererant,T.R.and Oblak,J.M,ASM Trans Quart 62 (1969)639 [11]Raynor,D.and Silcock,J.M.Jour.Matal Sci.4 (1970)Jul.121. C12]Flinn.P.A:Trans TMS-AIME 218 (1960)145 C13)Kear B.H and Wilsdorf.H.G.F Trans TMS-AIME 224 (1962)382 C14)Vidoz,A.E.and Brown,L.M.phil.Mag.7 (1962)1167 0.14 0.05u 图1CH133合金的显微组织 liig 1 The microstructure of GH133 alloy 93

号 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 ‘ 、 、 喊 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 参 考 文 献 飞 ’ ， ， 。 ， 。 ， 。 以 。 ， 。 ， 。 ， 。 。 ， ， ， 。 。 ， ， 。 ， 。 一 。 ， ， 。 。 。 。 ， 。 。 。 。 ， ， 。 。 。 。 。 ， 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ， 。 。 。 。 ， 。 ， 。 ， ， ， 。 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 。 ‘ 一 ， 人 。 。 ， 。 。 。 气 目口‘ 图 合金 的 显微组织 户

GH133-1 △er=1% GH133-4 N:=874 △er=0.5% 3000 ,00F N:=23279 -P不·拉压对称 拉压对称 2000 a 控 4P/2 坦1000 立1000 P6 0 0 -10004 102103104 105 情环次数N 1010310t10* 循环次数N (a) (b) GH133-7 AcT=1.7% 4000 f=233 AP/2 拉压对称 3000 ) 0d 1000 Pncun 10×103×103×10 循环数N (c) 图2GH133合金的循环反应，试验条件：600°C拉压对称 R=-1(a)4er=0.5%(b)4er=1%(c)4eT=1.7% Fig 2 The cyclic stress-strain response of GH133 alloy,Fatigue testing was done at a completely reversed total strain limits (R=-1)at 600C 0.33HZ; (a)aeT=0,5%(b)△eT=1%(c)△eT=1.7% 94

· △。 ， 二 ‘ 拉属对称 厂 分 一 △ 二 二 气 沙 一 泣压对称 厂一 飞 二， 一 ‘ 一 ‘ 一‘ 、 卜缤父 一卜 长△ 卜 ︹书但︶蒸自比 洲江山佗︶叨 、 一 价气 ﹂ 循环 次数 － 一一 二 月 一 一 一 一一山 一一 ， 循环次数 一 △。 。 。 。 “ 呱 拉压 ’‘称 么 循 环 数 图 合金的循环反应 ， 试验条件 拉压对称 一 ‘ “ 吞。 五 了 一 ， ‘ 节 口 ， “ 一 。 △“ · △‘ △

GH133-8 △er=1.2% GH133-1I 药P1nN,=444 1 3000 emx=0.85% △er=08% △P/2 N:=238 3000 emax=0.8550 2000 2000 解 1000 1000 Pmia △P/2 0 101021010* 1010310 循环次数N 循环状数N (a) (b) 图3GH133合金的循环反应，试验条件，600°C em4x=0.85%恒emx值(a)4eT=0.8%(b)4T=1,2% Fig 3 The Cyclic stress-strain response of GH133 alloy Fatigue testing was done at a constant value of emz (em=0.85%)at 600C 0.33HZ (a)AeT=0.8%(b)AeT=1.2% 1 G1I133兰负波033I12R=-1600℃ 10- △er-24.45N,53 GH133三角波0.33HZ江cg600C △c=6g=0,07N,-9-0,20 △Ep=54.24N,-97 Ae △80=24.4iN,-3+0.971999-2.0△e bse= Ag-1.33N,-01‘-0.20 八，=54.24-0a7+1.33N,-a14-020 1.0 ACe ACe 0.1 SEp c=3x=0.85% 0.1F 汤 0.05 0.05L 10 103 104 102 10 10 Ni (a) (b) 图4GH133合金低周疲劳曲线 Fig 4 The LCF curves of GH133 alloy (a)R=-1 test (b)fixed emax test 95

叮 代、 币 几 吸 一 △。 二 二 。 。 。 卜 只。 二 。 。 、 二 ， 洲︹但摇︶山的 ‘ ， 二 一 △。 ， 怪 二 。 二 一 “ ’ ‘ 芍 ‘ ’ ‘ ” 二 。 。 肠 一 召担挤︵山︶切 循环次数 币昏环次数 卜 ，、 卜 图 合金的 循环反应 ， 试验条件 。 ， ， 恒 。 一 值 △“ 户 ‘ 一 了 ‘ ‘ ， 。 二 二 。 二 二 。 。 ‘ 。 盛。 二 。 、 玉 三角波 一 ℃ △。 ， “ 。 一 “ · 仓 △“ · ” 丫 二 ， “ 一 。 ’ 。 ’ 一 △ 。 二 别闷，一 〕 ’ ， 压 卜。 万 ，一 。 ’ 。 ， 一 。 △ 三角波 仁 ， ’ 乙、 亡 飞万 “ 一 。 △ ‘ 心 一 口 二 洲 衬工一 。 ’ ” 十 ，一 。 ‘ 奋 ‘ 一 州注下卜冬 目叮 ﹄﹄尸 ‘ ， ‘ 图 跳 一 合金低周疲劳曲线 甲 已二一 毛

(a)沿h袋纹及Sige】裂纹 X60 (b)Sage】多纹及装面浮突 ×1000 图5试样表面附近的疲劳断口 Fig5 The fracture surface of fatigue specimen in the area near surface (a)intergranular fractur:and stage I fraciure x 600 (b)stage I fraciure and the surface relief x 1000 (a) (b) 图6疲劳裂纹扩展区的断口：“ 了·(a)stoge I'站亚和沿晶裂纹.×1000 (6)轮胎花样·×1000 Fig6 The.fracture sarface of fetigue tpeeimen in the srea of fatigue crack propagation (s)stige I,stagedll and intergranular cracks (b)Spinc-like mark 1 冈7交叉的滑移带10000 Fig 7 The crossed slip bands 96

冲 夕 释拿臀群 沿晶裂纹及 。 ‘ 裂纹 裂纹及 表面浮突 图 试样表面附近的疲劳断 口 二 “ ‘ 。 了 盯 五 。 国 尸 、 “ 一 图 一 疲劳裂纹扩展区的断旦 。 ，。 驴 ‘ ， 雌， 和伦晶裂纹 。 ‘ 取。 斗 ，。 处 。 犷沦 。 万 。 呈‘ 。 。 。 。 狂 呈五 缺 峨 。 ‘ ， 拍皿七通 王。 ，飞 。 川 ， 轮胎花样 几 讹 卜肠 ， 助盆拓汽 也 冈 交叉 的沿移带 。 。 日

0.05 (:} (b) 0.1" 0.1μ (c) (d) 01H 0.1H (p) (I) 图8位错结构的高倍观踪 (a)×220000(b)×80000 (c)×100000 (d)×80000(e)×80000 (f)×80000 Fig 8 The high magnification transmission electron micrographs of dislocation stracture 97

侧 、 ‘ 几 。 、 嚼巍 、 图 位错结构 的高倍观 察 又 了、 、 、 、产 、了 、 、 一