D0I:10.13374/j.is8m1001053x.1986.03.001 北京钢铁学院学报 1986年9月 Journal of Beijing University No,3 第8期 of Iron and Steel Technology Sept,1986 保载条件下的第一类疲劳蠕变断裂特征图 疲劳蠕变交互作用研究之三 陈国良何庆复高良章守华 (北京钢铁学院) 常逢元赵玉才 (西安红旗机械厂治金处) (上钢五厂研究所) 摘 要 本文在大型熔铸祸轮疲劳蠕变第一类断裂特征图基础上，进一步研究最大应力保 载对疲劳蠕变断裂行为影响及在保载条件下的第一类断裂特征图，实验结果表明 断裂周次随交变应力与平均应力变化呈现与无保载相同的，“反C”型规律。与无 保载相比，保载显著地降低断裂周次，使断裂曲线向低寿命区移动。保载增大蠕变 作用，使疲劳机构转变成蠕变机，构，扩大蠕变为主的C区，缩小疲劳为主的F区，以 至于保载足够长的时间，疲劳机构消失。在断裂机构理论分析与断口观察以及宏 规寿命规律基础上建立在保载条件下的第一类断裂特征图。该图提供了保载下 的宏观与微观资料，本文还讨论了保载时间对断裂时间影响的规律，以至竞争模 与积累模型在保载条件下的适用性、 关键词：高温合金、疲劳、蠕变及交互作用断裂机构图，带保载时间的疲芳， Fatigue-Greep Interaction Map for Tests with Dwell Time for ECD ------The program of fatigue-creep interaction III Chen Guoliang,He Qingfu,Gao Liang;Zhang Shouhua; Chang Feng Yuan,Zhao Yucai Abstract 1985一12一10收到 25
年 月 第 期 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 保载条件下的第一类疲劳蠕变断裂特征图 一疲劳蠕变交互作用研究之三 陈国 良 何庆复 高 良 章守华 北京钢铁学院 常逢元 赵玉 才 西安红旗机械厂洽金处 上钢五厂研究所 摘 要 本文在大型熔铸涡轮疲劳蠕变第一类断裂特征 图基础 上 ，进一步研究最天应力保 载对疲劳蠕变断裂行为影响及在保载条件下的第一类断裂特征图 ，实验结果表 明 断裂周次随交变应力与平均应力变化呈现与无保载相同的 ， “ 反 ” 型规律 。 与无 保载相比 ，保载显著地降低断裂周次 ，使断裂曲线 向低寿命区移动 保载增大蠕变 作用 ，使疲劳机构转变成蠕变机构 ，扩大蠕变为主的 区 ，缩小疲劳为主的 区 ，以 至于保载足够长的时间 ，疲劳机构消失 。 在断裂机构理论分析与断 口 观察以及宏 观寿命规律基础上建立在保载 条件下的第 一类断裂特征图 ， 该图提供了保载下 的宏观与微观资料 本文还讨论了保载时 间对断裂时间影响的规律 ，以至竞争模 与积累模型在保载条件下的适用性 ‘ 关锐词 高温合金 、 疲劳 蠕变及交互作用断裂机构 图 ，带保载时间的疲劳 一 一 只 一 ， 一 一 收到 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．03．004
This paper dealt with the cffect of dwell time at max.stress on the fatigue-creep interaction behavior of superalloy ECD. The resuits indicated that the cycle number of fracture decreased as. the time of dwell at max.stress increased,However,the shape of interac- tion curve was not changed.The dwell at max stress intensified the creep effect resulting in the expansion of the interaction regions with predomin- ant creep fracture (i.e.CC,.CFC regions )and the FC mixed region.mov- ed to the area with high alternative stress,even the FCC region appeared instead of CFF region. On the basis of macro-microanalysis of fracture the fatigue-creep interactioa map for the tests with dwell time was con structed,It provided the basic information of fracture mechanisms and fracture cycles for the tests with hold timc.However,the influence of hold time on the total rupture time was different:the total rupture time was increased for tests in I region, and for tests in C region it was decreased till a saturated value which is larger than that for the pure creep test at max.stress. Key words:superalloy;fatigue,creep;interaction;dwell time map 前 言 一些研究1.2)指出燃气透平用涡轮盘在稳定适行期间的工作条件更接近具有保 载时间的应力控制的疲劳蠕变联合循环。因此对具有保载条件下的交互作用机构研究更 具有实际意义。我们已经研究了无保载条件下的疲劳蠕变交互作用特征图3.4.5)表示了 交互作用是竞争模型与积累模型的统一，必须分为F区，C区与FC区分别讨论其交互作 用的本质。以及应力型交互作用及应变型交互作用等 本文试图测定具有保载条件下的废劳蠕变断裂曲线，并根据宏观寿命规律与微观机 构分析相结合的基础上建立在保载条件下的第一类交互作用的断裂特征图，并以此描述 具有保载条件下的交互作用行为，并提供宏观寿命的资料为丁程构件设计提供依据，并 讨论组织结构的影响。 1,实验材料及方法 试验用熔铸GH136涡轮盘材是'强化的铁基高温合金，它的化学成分与美国V一57 合金相似。熔铸盘具有粗大的树枝状晶组织，并具有Laves相、一次7相、MsB2、 TiCN、Y相等c6)。 试样毛坯经1050℃4小时固熔处理后空冷，然后再经700℃32小时时效后空冷。 试验选用圆棒光滑低周疲劳试样，其有效长度及园弧部分瘘削成型〔4)。 本实验采用负荷控制法在恒定最大负荷保持一定的时间，及最小应力改变，即不同 26
一 ￡ 尽 ， 曰 ， “ “ 势 件 乡“ ， ， 叮血 又 宕 一 一 一 ‘ ‘、 ， ， 、 ， 一些研究 〔 ’ 、 “ 〕指 出燃气透 平用 涡轮 盘在稳定 适行 期 间的工作 条件 更 接 近 具 有 保 载时 间的 应力控制的疲 劳蠕 变联合 循环 。 因此 对具 有保载 条件下的 交互作 用 机构研究 更 具 有实际意义 。 我们 己经研究 了无保载条件下的 疲 劳蠕 变 交 互作 用 特征 图〔 ” ， 峨 · “ ’表示 了 交 互作 用 是竞 争模型与积累模型 的统 一 ， 必须分 为 区 ， 区与 区分别 讨论其 交互作 用 的本 质 。 以及 应 力型 交 互作 用 及 应变型 交 互作 用 等 “ 本 文试 图测定 具 有保 载 条件下的疲 劳蠕 变断裂 曲线 ， 并 根 据宏观寿命 规律与微观 机 构分析 相结合 的基础 上建 立在保 载 条件下 的第 一 类交 互作 用 的断 裂 特征 图 ， 并 以此描述 具 有保载条件下 的交 互作 用 行 为 ， 并 提供 宏 观寿命 的资料 为工程构 件设计 提供 依据 ， 并 讨论组 织 结构的影响 。 实验材料及 方法 试 验 用熔铸 涡轮 盘材 是 强化 的铁 基高温合 金 ， 它 的化学 成分 与美 国 一 合 金 相似 。 熔 铸 盘具 有粗大 的 树枝状 晶组织 ， 并 具 有 相 、 一 次 叮 相 、 、 、 相 等〔 〕 。 试样毛坯经 ℃ 小时 固熔处理后 空 冷 ， 然后 再经 ℃ 小时时 效后空 冷 。 试验选用 圆棒光滑低周 疲 劳试样 ， 其 有效长度及 园弧部分磨 削 成型 〔 〕 。 本 实验采 用 负荷控制 法在恒定 最大 负荷保 持一定的时间 ， 及 最小 应力改 变 ， 即 不 同
的交变应力与平均应力的配合条件下进行高温疲劳蠕变试验。实验加载波形如图1所 示。试验温度650℃。高温力性实验在MAYES-一50E低周疲劳试验机上进行。 断口观察在JSM一35C扫描电镜下进行。 2,实验结果 2.1在保载条件下的高温疲劳城变断裂周次曲线。 在恒定的最大应力（gmm,)下分别保载55,10s,60s与110S具有保载试验得到的 断裂周次(N,)随着交变应力（σ，）与平均应力（σm)变化的曲线示于图2。这种以断 裂周次表示的保载条件下的交互作用断裂曲线与无保载时的疲劳蠕变寿命曲线，具有相 同的形式。随着交变应力(o,)的减少，平均的应力（σm)的增加，断裂周次(N,) 先增加后减，曲线呈“反C”型。保载使曲线向左移到低寿命区，随着保载时间的增 加，曲线向左移动的距离就越远，断裂周次降低的越显著。 实验表明在曲线的上半部，断裂周次与交变应力间的关系满足于纯疲劳的S一N曲线 735.5 O Deell 58 A Dwell 10c 135.5 o Dwell 60s 口bwe11111a 235.5 335.5 435.5 535.5 33 635.5 要 山lw735,5 203 10. 105 Ruptare cycles,Nr e on cyclic rupturc aumbers 图1，实验加载波形 图2，具有保载的断裂周次曲线 Fig.1.Tho wavo form for fatigue-creep Fig.2.The fatigue-creep interaction fraeture test with dwell time life curves with dwell time 表1具有保载的疲劳蠕变断裂周次回归公式 Table 1 Regression equations of the rupture life for fatigue-creep interaction tests dwell time (S) upper region nuder region 0 0a=7,2X108Nt-0.32,Y-0,98 0m=1.23X103N:-0.05,Y=0.99 5 0a3.7X108N:-0.39 Y=-0.99 0m2.8X104Nr-0.6,Y=-0.98 10 g.=3.3X108N,-0.8,Y=-0,99 0m=4,8X10N:-0.61,Y=-097 60 g1=3.0X103N,-0.32,y=-1 0m=1.2X104Ng-0.5,Y=-0.99 110 0a=2.9X103N,-02,y=-1 0m=6.4X103Nt~0.43,y=-0,99 27
的交变应力与平均 应力的配合 条件下进行 高温疲 劳蠕 变试验 。 实验加载波 形 如 图 所 示 。 试验温度 ℃ 。 高温 力性实验在 一 低 周疲 劳试验机上进行 。 断 口观察在 一 扫描 电镜 下进行 。 实 验 结 果 。 在保载条件下的 高温疲劳姗变断裂周次 曲线 。 在 恒定的最大应力 。 二 下分别保载 ， ， 与 具有保载试验得 到 的 断裂周次 ， 随着交变应力 口 与平均 应力 。 。 变化的 曲线示于 图 。 这种以断 裂周次表示的保载条件下的交互作用断裂 曲线与无保载时的疲 劳蠕 变寿命 曲线 ， 具 有相 同的形式 。 随着交变应力 的减少 ， 平均的应力 口二 的增加 ， 断裂周 次 ， 先增加后减 ， 曲线呈 “ 反 ” 型 。 保载使曲线 向左移到低寿命 区 ， 随着保载 时 间 的 增 加 ， 曲线 向左移动的距离就越远 ， 断裂周次降低 的越显著 。 实验表 明在 曲线 的上半部 ， 断裂周 次与交变应力间的关 系满足于纯疲 劳的 一 曲线 多 ， 多 。 荟 ‘ ‘衬￡门。‘，。 ， 邸另竹好 哎子了气晓护比砚已 护成了仁护口哎产已︸， 八 一 下一卞 分 卜 羚﹄。田因匕龙 ，﹄ ， 抽州扫招门卜 生又 只 七 了 声 户 ‘ 。 了 饥沪 。 口 ， 图 。 实验加载波形 ， 甲 一 份 甘 功 图 具有保载的断裂周次曲线 。 一 。 孟 ‘ 。 一 ， ， 兔二 表 具有保载的疲劳蠕 变断裂 周 次回 归公式 一 皿 “ 玉 。 口 一 · ， ， 下一一 。 下 。 匀 下 一 。 下 一 ， 口 。 ， 一 二 。 口 。 ， 一 · ， 口 ， 一 · ， ， 一 一 二 ， 下 一 下 一 口 火 ， 一 · 。 ‘ ， 。 · ‘ 一 · ‘ ， 口 一 。 ， 一 · ‘ ， 。 一 · ‘ ， 。 · 只 ， 一 · ， 下 一 。 丫 。 下 一 下 一
关系，在曲线的下半部，断裂周次与平均应力之间的关系也很好地符合幂指数关系。表 1归总了具有保载的断裂周次回归公式。 随着保载时间的增加，曲线的“鼻子”区移向更大的交变应力（σ，）范围。这表 明保载增大了蠕变因素，导致疲劳区向蠕变区转变。 2.2保载条件下的裂纹形成及扩展分析 扩大应用Halesc2)的分析方法，以裂纹萌生曲线与断裂曲线来分析具有不同保 载时间的疲劳蠕变断裂机构图。在如图3表示的复合应力一断裂周次图中，由于只是 分析可能的断裂机构所以可以假定此二条曲线不受保载时间影响。并以CoC。与CC分别 表示蠕变裂纹形成与断裂曲线，以F0Fo与FF分别表示疲劳裂纹萌生与断裂曲线。很 明显，蠕变断裂周次随保载时间增长而相对应地缩短，即随保载时间增长，C。Co及CC 曲线不断右移，例如当保载5秒时为Co'C。'与C'C'。这样，断裂曲线的交点就从无保 载的A、B、D、E四个点移向保载5秒的A'、B'、D'、E'。对于保载10秒与60秒曲线 分别移到C"Co“,C”、C、与Co'/、Co'、C'、C'。余类推。与A、D点相 应的交变位力值就可能与无保载的（σ，）A>(G,)D不同，出现(o.)A”=(g,)D", 乃至(o,)A,<(a,)D,的变化。因此保载使得原无保载的FF、FCF、CFC、 CC四区移向交变应力幅值更高的区城；使CFF区逐步向FCC过渡。短时保载时出 现的断裂机构区可能与无保载的相同、但各区的应力范围上移，以致在保载条件下的 CC区（暂以C'C'表示）包括无保载条件下的CC与CFC二个区，即使CFC断裂变为 CC断裂，同样，使FF断裂变为FCF断裂，CFF断裂变为CFC断裂等等，很明显，保 载加剧蠕变断裂作用，扩大蠕变区，缩小疲劳区。随保载时间增长，可能出现（σ，）" =（σ，)D,乃至(o.)A<(o,)D,的情况，这时CFF区逐步消失，并为 FCC区所取代。总之，保载条件导致断裂机构的变化。具体变化情况要根据断口分析 确定。 125.6 GH136 是 650℃ 60 223.8 是 50 323.8 6 40 Bun 423、8 sai 30 三 B(D") 523,8 20 623.8 (c"Cr 0 C" 723.8 0山山LL山lLL4u823.8 5×103103 10* 105 10 Rupture life Ne (tr) 图3保载条件下断裂机构分析示意图 Fig.3 Schematic view of craek initiation and propagation showing the influence of dwell time on crack initiation and propagation. 28
关 系 在 曲线的下半部 ， 断裂周 次 与平均 应 力之 间的关 系也 很好地符合幂指数关 系 。 表 归总 了具 有保载 的 断裂周次 回 归公式 。 随着保 载 时 间的增加 ， 曲线 的 “ 鼻子 ” 区移 向更大 的交变 应力 范 围 。 这 表 明保 载 增大 了蠕 变 因素 ， 导致疲 劳 区 向蠕 变区转 变 。 保载条 件下 的裂纹形成及扩 展分析 扩 一 大 应 用 〔 “ 〕的分析方法 ， 以裂纹 萌生 曲线 与断裂 曲线来 分 析 具 有 不 同 保 载时 间的疲 劳蠕 变 断裂 机构 图 。 在 如 图 表 示 的复合 应力 一 断裂 周 次 图 中 ， 由于 只是 分析可能的 断裂 机构所 以 可以 假定此二 条 曲线 不受保 载时 间影 响 。 并以 。 。 与 分别 表示蠕 变裂纹形 成与断裂 曲线 ， 以 。 。 与 分别表示疲 劳裂 纹 萌生 与断 裂 曲 线 。 很 明显 ， 蠕变断裂 周次 随保 载时 间增 长而 相对应地缩 短 ， 即随保载时 间增长 ， 。 。 及 曲线不断右移 ， 例如 当保载 秒时 为 。 ‘ 。 ‘ 与 ‘ ‘ 。 这 样 ， 断裂 曲线的交 点就从无保 载 的 、 、 、 四 个 点移 向 保载 秒 的 产 、 产 、 产 、 产 。 对于保 载 秒与 秒 曲 线 分别 移 到 “ ， ， 、 、 与 。 产 产 、 。 ， 尸 尸 、 ， 尸 产 、 ， 产 。 余类推 。 与 、 点相 应 的 交 变 应力值就可 能与无 保载的 不 同 ， 出现 ， ， ， 乃 至 ， ‘ ， 。 ’ ‘ ， 的 变化 。 因此保 载使得原无 保载 的 、 、 、 四 区移 向交 变 应 力幅值 更 高的 区域 使 区逐 步 向 过 渡 。 短 时 保 载 时 出 现的断裂机构区可能与无保载的 相 同 、 但各区的 应 力范 围 上移 ， 以致在 保 载 条 件 下 的 区 暂以 ‘ 了 表 示 包括 无保 载 条件下 的 与 二个 区 ， 即 使 断 裂 变 为 断裂 ， 同样 ， 使 断裂 变为 断裂 ， 断裂 变为 断裂等等 ， 很 明显 ， 保 载加剧蠕 变断裂作用 ， 扩大蠕 变 区 ， 缩小 疲 劳区 。 随保载时 间增长 ， 可能 出现 。 二 ， ， 乃至 。 ‘ ， ， “ 的 情况 ， 这 时 区 逐 步 消 失 ， 并 为 区所取 代 。 总 之 ， 保 载 条件导致 断裂机构的 变化 。 具体 变化情况要根据 断 口 分 析 确 定 。 ’多 ， ℃ 多 。 川 多 · ” 登 曰 之二 。 盆认 · 沉一。 衬盆口甸功。恤口 人 乃 ’ 一 二 。 。 妇工吮衬州“价妈‘和日众，。 子、 下占 ︺ 、 吕 金 ， 名 图 保载 条件下断裂机构 分析示意图 。 比 七丘 主
2.3具有保栽的断口形貌 根据保载条件下裂纹形成与扩展的分析可知，随着保载时间（△t)增加，疲劳机构 向蟠变机构过渡。图4为a,为588.4MPa,gm为147.1MPa条件下的随保载时间增长的 断口变化。由图可见，保载使F区的断口上疲劳条纹区面积减小，条纹间距变宽。还可 见到更多的蠕变空洞及二次裂纹特征明显化。 短时间保载使原来无保载的FF断裂机构转变成FCF机构（图5、a、b),延长保 载时间使具有典型疲劳断口(FF)转变成FCC断口，FCC断口形貌具有与CFF相同 的疲劳条纹区与蠕变断裂区相混合的特征，所不同的是FCC区的疲劳断裂区只局限在 蠕变断裂区中间（图5、c),保载还可以使CFF转变为CFC或CC机构（图5、d), 使CFC机构转变成CC机构（图5、e)。 () (b) 的3 (c) (d) 图4.保栽断口形貌(ga588,4MPa,om147,1MPa) (a)保载5孙：， (b)保载10秒 (c)保载60秒 (d)保载60秒 Fig.4.SEM of the apperance of fracture surface of specimens tested at 0a588.MPa,Om147.1MPa with various dwell times. (a)dwell 5s (b)dwell 10s (c)dwell 606 (d)dwell 60s 29
。 兵有保栽的断 口形貌 根据保载条件下裂纹形成与扩展 的分析可知 ， 随着保载时 间 △ 增加 ， 疲劳机构 向蠕 变机构过渡 。 图 为 为 ， 。 为 条件下 的随保载时间增长的 断 口 变化 。 由图可见 ， 保载使 区的断 口 上 疲 劳条纹区面积减小 ， 条纹 间距变宽 。 还 可 见到更多的蠕变空洞及二次裂纹特征 明显化 。 短时间保载使原来无保载的 断裂 机构 转变成 机构 图 、 、 ， 延长 保 载时 间使具 有典型疲劳断 口 转变成 断 口 ， 断 口形貌具 有与 相 同 的疲劳条纹 区与蠕 变断裂 区相混合 的特征 ， 所 不 同的是 区的疲劳断裂区只局 限 在 蠕变断裂 区 中间 图 、 ， 保载还 可以使 转变为 或 机构 图 、 ， 使 机构转变成 机构 图 、 。 。 图 保载断 口 形貌 口 通 保载 于卜 ， 保载 干少 保载 秒 保载 秒 氏了 几 。 。 日 七 习 ，口 日 份 日
(a) (b) (c) (d) 580- (e) 图5具有保载的断口形貌(0max735.5MP) Fig.5.SEM of the appearance of fracture aurface for the tests with dwell time (735.5MPa) 4,b,0s490.4MPa, dwell 10s(FCF) d.196.1MPa,dwell 5s(CFC) c,0a490.4MPa. dwell 60s(FCC) e,G.196.1MPa,dwell 608(CC) 2.4具有保载的第一类特征图 经上述分析和断口形貌观察得知保载增强了岳变断裂特征，可使大交变应力（σ，） 下以疲劳为断裂机构转变为蠕变为主的机构。在中等应力幅值范围内在无保载时为 CFF机构，未见到FCC机构，但保载后出现FCC机构。根据保载条件下断裂机构相互 30
图 具有保载的断 口形貌 口 ， 二 ‘ 毛 ， ， ， 日 。 ， 具有 保载的 第一 类特征 图 经 上述 分 析和 断 口 形貌 观察 得 知 保载 增 强 了蠕 变 断裂 特征 ， 可 使大 交变 应 力 下 以疲 劳为断裂 机构 转变 为蠕 变为主 的机构 。 在 中等应 力幅值范围 内 在 无 保 载 时 为 机构 ， 来 见到 机构 ， 但保载 后 出现 机构 。 根据保载 条件下 断裂机构相 互
转化关系及断裂周次宏观规律可构造一张在保载条件下的第一类交互作用断裂特征图 (图6)。该图全面描述了具有保载条件下的疲芳蠕变交互作用微观断裂机构本质及其 相互转化对保载时间的依赖关系。亦表征了它与无保载断裂机构特征图的共同特点与本 曼 35.5 X X Dweil 0s F 0De1156 135.5 .01x"O 6Dwe11105 o Dwell 60s 口Dwe11110c 235.5 50 eseJ18 335.5 aJ 4355 总 OAT]euJ63 535.5 635.5· 0 111L上1i【735.5 102 10 10￥ 103 Rupture cycles N, 图6，具有保载的疲劳蠕变交互作用断裂特征图 Fig.6 Fatigue-creep interaction fracture mechanism map for dwell teat, 质区别。由图可以得到不同交变应力与平均应力的复合应力下是有保载的资料。它与无 保载特征图的差别在子各个交互作用区的应力范围不同，以及长时间保载的中等应力区 是FCC机构区。 3讨 论 在保载条件实验下，以断裂时间表示的断裂寿命对保载时间的依赖关系表现了特殊 的规律性（图7），在大交变应力（σ。）的F区内保载使总断裂时间增加，保载时间越 长，断裂时间愈长。图8a表明随保载时间的延长新裂时间增加的幅度减小，直到110 秒保载时其断裂时间仍在增加，并且这种倾向是与断裂周次的减小相对应的。这种现象 可由前述的断口形貌分析得到解释。保载使蠕变分量增加，而熔铸盘的蠕变抗力比疲劳 抗力相对较大，所以这种断裂机构的转变会导致断裂时间的增加，而且当保载时间增加 到110s,断裂机构的转变仍在进行，断裂时间还不断增加。在C区与无保载试验相比， 保载使断裂时间缩短。并且随保载时间延长，断裂时间趋于恒定值，即有一个饱和值， 而且此饱和值与σ，值有关，随σ，增大而减少（图8.b),根据断裂特征图，这一饱和现 象是与断裂机构变化相适应的，当金部进入CC断裂机构后，断裂时间就达到一个饱和 值。位得注意的是，3些不同均以力0m值下的饱和值均大于最大或力（σmx)下的 纯蠕变寿命，所以州对于最大应力下的蠕变寿命，交变应力却使断裂时间增长。在相同 保载条件下，交变应力在C区范围内变化时，断裂时间随交变应力增加而延长（图8b), 31
转化关 系及断裂 周次宏观规律可 构造 一张在保载 条件下 的第 一类 交互作 用断裂 特征 图 图 。 该 图全面描 述 了具 有保载 条件下的 疲 劳蠕 变交 互作 用 微观 断裂机构本质及其 相 互转化对保载时 间的依赖关 系 。 亦表征 了它 与无保载 断裂 机构 特 征 图的 共 同特 点 与本 山忿勺招‘ 多， ， 名。﹄”口璐。 多乡 ， 多， 。 名入。 。匕。︸欠 多乃乡 。 ， 今 乡 。 ， 另， 乃乡 乡 。 ， 产 ， 一卜一‘ 下万 丫 厂 、拼户一 。 户匀卜姆门的 习 勺 下 礴 吕 ︸侧博 。 ，目八曰人 工叫材州衬。卜仍﹄ 卫七 图 具有保载 的疲劳蠕变交互 作用断裂特征图 一 是 功 功 日 ， 质区别 。 由图可以 得到不 同交 变应 力与平 均应力的复合 应 力 下是 有保载 的资料 。 它 与 无 保载特征图的差别在于各个交互作用 区的应力范围 不 同 ， 以及长时 间保载的 中等应 力区 是 机构区 。 讨 论 在保载条件实验下 ， 以 断裂时 间表示 的断裂 寿命对保载时 间的 依赖关 系表现 了特殊 的 规律 性 图 。 在大交 变应 力 。 的 区内保载 使总 断裂 时 间增加 ， 保载时 间 越 长 ， 断裂时 间愈长 。 图 表 明随 保载时 间的延长断裂时 间增加 的 幅度减小 ， 直 到 秒保载时 其断裂时 间仍在 增加 ， 并且这种倾 向是与 断裂 周 次 的减小 相对应 的 。 这 种现象 可 由前述 的断 口 形貌分 析得到解释 。 保载使蠕 变分量 增加 ， 而 熔铸盘的蠕 变抗 力比疲 劳 抗 力相对较大 ， 所 以这 种 断裂 机构的转变会导致断裂 时 间的增加 ， 而且 当保载时 间增加 到 ， 断裂 机构 的转变仍 在进行 ， 断裂时 间还 不断增加 。 在 区与无保载试 验相 比 ， 保载 使断裂时 间缩短 。 并 且随保载时 间延长 ， 断裂 时 间趋 于恒定值 ， 即 有一个饱和 值 ， 而且此饱 和值与 。 值有关 ， 随 。 增大而 减 少 图 ， 根据 断裂 特征 图 ， 这 一饱 和现 象是 与断裂 机构 变化 相适应 的 ， 当全部进 入 断裂机构后 ， 断裂时 间就达 到一个饱 和 值 。 位 得注意 的 足 ， 互些 们呼平均应 力。 值下 的饱和值 均大 于最大 应 力 。 。 、 下 的 纯蠕 变寿命 ， 所 以 相对 于最大 应 力下 的蠕 变寿命 ， 交变应 力却使断裂时 间增 一 长 。 在相 同 保载 条件 下 ， 交 变应 力在 区范围 内变化时 ， 断裂时 间随 交变应 力增加 而延 长 图
X Dwell OS 35.5 A108 060s 135.5 口1106 edw 5 235.5 335.5 435.5 535.5 635.5 735.5 103 104 108. 109 Rupture time (t-)(s) 图了保歡时间对总断裂时间的影响线 Fig.7 Effect of dwell time on total rupture time for dwell test. 但如交变应力过大，超出C区范围，则寿命又降低了，这些情况说明文献中有些互为矛 盾的报导一即有的结果是保载延长断裂时间，另外一些报导却相反一一实质上是反映 了保载影响的不同侧面，根据本试验结果，保载的影响要从二个方面去考虑，一个是疲 劳与蠕变断裂机制的转化，另一个是疲劳形变和蠕变变形之间的交互作用。在C区 范围内，疲劳断裂机制向蠕变机制的转化会导致断裂时间缩短，对F区则反之疲劳 E region 105 392.39a 106 U: 490.年 588.4 82t3 10 dt~t 品 8 (a)F region 山 103 392.3 Inqdng 9o4 102 102 10 60 110 160 Dwe11time△t(6) Effect of dwell on rupture life 32
》 ， ， 艺璐匕两日 ‘洲‘ 了以只 乃乃 乃多乡 乡 。口名甸口叮 拜 ， 。 ， 乡 ， ， 月种 · ， 灵 ” 奋 尸丽厂一一 · ’ ‘ 七 七 位 ‘ 韶之，’ ‘ ， 七 山闰 卜 。叫欠者衬叫山﹄田卜叙日 图 了 保载时 间对 总断 裂时 间 的影响曲线 了 让 但如交变应 力过大 ， 超 出 区范 围 ， 则寿命又降低 了 ， 这 些情况说 明文献中有些 互 为矛 另外 一 些报导却 相反－ 盾 的报 导 实质上 是反映 － 即 有的结果是 保载延长 断裂时 间 ， 另外 一 些报导却 相汉－ 头肌 上 足仄状 了保载影响 的不 同侧面 ， 根据 本试验结果 ， 保载 的影响要 从二个方面去考虑 ， 一个 是疲 劳与蠕 变断裂机制的转化 另一个 是疲劳形变和蠕变 变形 之 间 的 交 互 作 用 。 在 区 范围 内 ， 疲劳断裂机制 向蠕 变机制 的转化会导致断裂时 间 缩 短 ， 对 区 则 反 之 疲 劳 ‘ 名 。 ， ， 丝竺 。 曹 卜。的 ，林尸 铸… 、 山色 叼，乙 ﹄乞 ，、 ‘ 、 入 、 、 、 、 、 劝 ，肠 、 、 、 盖奥吸 乃 之 一 多 一 一 一 明 。 你 ‘ 向 口 确 众口 臼 认收、 ，占︸ 护 ︵︶神口日。日。匀口 卜 几 一 一 司 一 今 名 △ 以
C region 105 、△tg C。413 1052 .0。 588.4 a山 0m686.5 104 Rupture time curve 8 en 3104 盒 兰 (b)C region 10生 Rupture numbers curve --343 。0m568.4 ~N 102 ↓ ·0m665 010 ☐10 60 110 160 Dwel1 time t（s) Effect of dwell.on rupture life [图8，断裂周次与断裂总时间对保我时间的依赖关系 Fig.8 The dependence of both cyelic rupture numbers and total rupture time on the dwell time max,stress 735,5 Mpa 变形会增加蠕变变形的阻力，反映为动态蠕变反应力增大〔)，因此起减小蠕变速度，延 长寿命的作用，这种作用的结果导致断裂时间比纯蠕变更长的现象。 由此可以认为保载条件下的交互作用也是竞争模型与积累模型的统一。由于保载的 作用加强发生蠕变机构的倾向，从而扩大了蠕变为主导的竞年模型的适用范围，断裂机 构的竞争的结果是蠕变逐渐取代了疲劳。由于熔铸盘的蠕变抗力较大，这种断裂的转变 进行缓慢。在F区是疲劳撕裂，其断裂周次由于交互作用的积累作用而降低，但由于有 保载时间，结果使其断裂时间却随保载时间增长而如图8增加，因此断裂时间增长是非 常本质的，本质还是因积累损伤作用而造成的周次缩短，在C区保载使断裂时间长于纯 蠕变断裂时间，这是另外一种交互作用。 4.结 论 (1)在最大应力保载导致断裂寿命显著降低，具有保载条件下的断裂寿命随交变 应力与平均应力变化是现“反C”型规律。 (2)保载使疲芳机构向蠕变机构转变，作较人交变应力下保载使原米无休我的 FF转变为FCF机构，FCF、CFC与CFF转变为CFC或CC机构。保载扩大了C区，缩小 F区。 33
△ 、 ， 与 鸽 叫。卜。。 八归﹄ 一一公霆去‘ 。 ， 州衬日 口 甲 ‘ 衬汉。，向 口 日 ， 衬‘﹄，众 协 各 、 飞粤 了匕 “ 儿 ， 」 －一 ‘ 七 一 几 以 以 图 ， 断裂周次与断裂总时间对保载时间的依 赖关系 ‘ 为。 “ ‘ 之 瓜 甘 。 功 全 ，， ， 变形会增加蠕变变形的阻 力 ， 反映 为动 态蠕 变反应 力增大 〔 〕 ， 因此起减小蠕 变速 度 ， 延 长寿命的作 用 ， 这 种作用的结果 导 致断裂时 间比纯蠕 变更长的现象 。 由此可 以认 为保载 条件下的 交互作 用也 是 竞争模型 与积 累模型 的统 一 。 由于保载的 作用加强发生蠕变机构的倾 向 ， 从而扩大 了蠕变 为主导 的竞争模型 的适用 范围 ， 断裂机 构的竞争的结果 是蠕 变逐渐 取代 了疲 劳 。 由于熔铸盘的蠕变抗力较 大 ， 这 种断裂 的转变 进行缓慢 。 在 区是疲劳断 裂 ， 其断裂周 次 由于交 互作 用的积累作 用而降低 ， 但 由于 有 保载时 间 ， 结果 使其断裂时 间却随保载时 间增长而 如 图 增加 ， 因此断裂时 间增长 是 非 常本质的 ， 本质还是 因积累损伤作 用而 造 成的 周次缩短 ， 在 区保载 使断裂时 间长 于纯 蠕 变断裂时 间 ，这是 另外一种交互作 用 。 结 论 在 最大应力 保载导致断 裂寿命显著降低 ， 具有保载 条件下 的断裂寿命 随交变 应力与平均 应力 变化 呈现 “ 反 ” 塑 规律 。 艺 保载使疲 劳机构 向蠕 变 机构转 变 ， 在较 大 交变应 力下 保载 使原 来无 保 载 的 转变 为 机构 ， 、 与 转变为 或 机构 。 保载扩大 了 区 ， 缩小 区
(3)具有保载的疲劳蠕变断裂特征图提供了保载条件下交互作用宏观规律与微观 机构。 (4)断裂总时间保载时间表现特殊的依赖关系。在F区，保载时间从5秒到110秒 使总断裂时间增大，但对C区保载从5秒到110秒使断裂时间减少且趋于恒定值。且大于 最大应力下纯蠕变的断裂时间。 感谢 本实验得到上海第五钢厂所究所，西安红旗L城厂合金处大力支持特，在此表示感射 参考文献 (1 Thorpe,T.W.,smith,C.C.:5th inter.conf.on.Fracture,19 (1981),2413, (2 Hales,R.:Fatigue of Engineering Materials and structure,vol 3,4 (1980),339,printed Great Britain. 〔3)陈国良：航空材料（专刊）3，(1983)，47， 〔4〕陈国良、何庆复、高良、章守华等：北京钢铁学院学报，2(1986)，41 (5)Chen,G.L.,He,Q.F.,Gao,L.et al:strength of metals and alloys,Proceeding of the Inter.Conf.on the strength of Metals an d Alloy,v.2,1985,Ed.H.J.Mcqueen et al,Pergumon Press,p130 (6)Chang,J.F.,Hu,G.P.,Gao,L.:in Superalloy 1980,Proc of the Fourth Inter Symp on Superalloy,ed.J.K.Tien et al,P.245 34
具 有保载 的疲劳蠕 变 断裂特征 图提供 了保载 条件下交互作 用宏观规律与微观 机构 。 断 裂总 时间保载时 间表现特殊的依 赖关 系 。 在 区 ， 保载 时 间从 秒 到 秒 使总 断裂时 间增大 但对 区保载从 秒到 秒 使断裂时 间减少且趋 于 恒定 值 。 且大 于 最大 应力下纯蠕变 的断裂时 间 。 感 谢 本实验 得到上海第五钢厂研究所 ，西 安红旗机械厂洽金处大力 支持 ，在此表示感谢 参 考 文 献 〔 〕 ， ， ， ， 。 ， 〔 〕 ， 又 ， ， ， ， 〔 〕 陈国良 航空材料 专刊 ， ， 〔 〕 陈国 良 、 何庆复 、 高 良 、 章守华 等 北京钢铁 学院学报 ， ， 〔 〕 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 〔 〕 ， ， ， ， ， ，
