熔铸盘疲劳蠕变交互作用第一类断裂特征图(疲劳蠕变交互作用之二)

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1986.02.001 北京钢铁学院学报 -K 1986年6月 Journal of Beijing University No.2 第2期 of Iron and Steel Technology June 1986 熔铸盘疲劳蠕变交互作用第一类断裂特征图 (疲劳蠕变交互作用之二) 陈国良何庆复高良章守华 (北京钢铁学院高温合金教研室) 常逢元（西安红旗机械厂冶金处， 赵玉才（上海第五锅厂研究所） 摘 要 水文目的是建立大型熔铸涡轮盘的疲劳蠕变交互作用下的第一类断裂特征图，·为此 光测定了恒最大应力下的高温瘦劳蠕变新裂寿合曲线，称为FC-N:曲线，它们既不同于 纯皮劳的$一曲线，又不同于纯变断裂曲线，而是二者的综合。根据寿命对应力的不 同依赖关系可以把曲线分成F、C与FC三区。根据断裂机构的理论分析与断口观察，又存 在普五个不同断裂机构区。在宏观与微观分析相结合的基础上建立了第一类断裂特征 阁。它提铁了关于断裂机构与寿命资料。据此讨论交互作用的几种特征。采用竟争模型 与积累模型可以表示疲劳婚变交互作用的本质。 关键词：涡轮盘用高温合金、疲劳、露变.疲劳壩变交互作用.特征图。 Type I Fatigue-Creep Fracture Map for ECD -The program of fatigue-creep interaction I Chen Guoliang;He Qingfu;Gao Liang;Zhang Shouhuay Chang Fengyuan;Zhao Yucai Abstract A series of fatigue-creep fracture life curves for a big ESR-Cast-to Shape gas turbine disc(ECD)were obtained from tests called fatigue-creep :i nteraction test which was performed at constant temperature and fixed 1985-11一10收稿 41

年 月 第 期 武。 汤珠急默双 粼 烦 羡照 熔铸盘疲劳蠕变交互作用第一类断裂特征图 疲劳蠕变交互作用之二 陈国 良 何庆复 高 良 章 一 守华 优京钢铁学院 高温合金教研室〕 常逢元 《西安 。 机械厂冶金处 赵玉 才 上海 第五钢厂研究加 摘 要 本文 目的是建立大型熔铸涡艳盘的疲劳 蠕变交互作用下的第一类断裂特征图 ， 为此 先测定了恒最大应力下白稿温农劳蠕变断裂寿命曲线 ， 称为 一 曲线 它们既不同于 纯夜劳的 一 曲线 ， 又不同于纯懦变断裂曲线 ， 而是二者的综合 。 根据寿命对应力的不 同依赖关系可以把曲线分成 与 三区 根据断裂机构的理论分析与断 口观察 ， 又存 在着五个不同断裂机构区 。 在宏观与微观分析相结合的基础上建立了 第 一类 断 裂 特 征 图 。 它提 共了关于断裂机构与寿命资料 据此讨 论交互作用的几种特征 采用竞争模型 与积累模型可以表示疲劳蠕变交互作用 的杨 关健词 涡 轮盘用高温合金 疲劳 蠕变 寒劳蠕变交互作用 特征图 嚼绷肠 卿 一 呀朴 一 。 一 户价 雌 匀 如比够 ， 呻烈沙 一 住 万 七 一 ” 一 玉 一 食 价 一 护‘ 一 一一 一 弓一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．02．004

max stress with various value of min stress.The shape of interaction curve was different from that of the normal S-N curve and creep curve,It could be envisaged as a combination of pure fatigue and pure creep curves.On the ground of the different stress being dependent of fracture lives,the whole in- teraction curve could be classified into three parts:fatigue(F),creep(C),and mixed(FC)regions。 The larger the max strss the stronger the interaction,the shorter the life.According to the fracture mechanisms and experimental observation of the appearance of fracture surfaces,five distinct fracture mechanism regions (ie,FF,FCF,CFF,CFC,CC,regions)were occured On the basic of macro-micro analysis of fracture a new fatigue-creep interaction map called first type.of interaction map was constructed,It pro- vided the basic information of fracture lives and fracture mechanisms. ” Discussing several features of interaction,a unified competi tive and cumulative model was suggested to show the nature of fatigue-creep interac -tion。 Key words: superalloy、gas turbrne disc、fatigue、creep、fracture map. 前 言 大型熔铸涡轮盘已通过800h试车及800h试飞的考验，对其常规力学性能已做相 当多的工作，但对在高温疲劳，特别是在疲劳一蠕变交互作用条件下的力学特性还 了解得不够充分。因此不能确切理解这种大型熔铸盘在使用条件下的损伤与断裂规律 本研究的目的是全面描述这种盘在疲劳蠕变交互作用条件下破坏特性及断裂寿命变化 规律。我们在文献〔1)中指出，在恒定最大负荷控制下的高温疲劳蠕变曲线及断裂 特征图，能较好地描述交互作用条件下合金的行为。为此，我们逃择熔铸盘为对象， 建立断裂特征图的全部理论基础，包括第一类断裂特征图，第二类断裂特征图，保载 条件下的断裂特征图，断裂特征图基础上的最大应力修正的券命公式及颜率修正法的 扩大应用。疲劳蠕变交互作用下的变形特点及变形速度的反应力模型，疲劳蠕变交互 作用下的裂纹形核及裂纹扩张，熔铸盘的力学特征及结晶方向性的影响等。这些结果将 在一系列文章中发表。 1实验材料及方法 试验用熔铸GH136涡轮盘材料的化学成分见表1，试样从涡轮盘上直接取样，试样 坯经过1050℃4h固溶后油冷，再经720℃32h时效处理后空冷。试样尺寸见图1，其柱 晶轴向与应力轴呈45°取向，枝晶组织见图2，圆棒形光滑试样有效长度及圆弧部分系 磨削成型。 42

妞 ‘ 灯 一 。 协 叮 全 ， 五 ， ， 。 二 ， ， 三 ， ， ， ， ， 。 ， 。 一 饥 ” 犷 一 。 爪 住 。 “ 。 ， 一 一 。 、 、 。 、 、 前 言 大型熔铸涡轮 盘 已 通 过 试车及 试飞的考验 ， 对 其常 规力 学性 能 己 做 根 当多的 工 作 ， 但对在高温 疲劳 ， 特别 是 在疲劳 － 蠕 变 交互 作用 条件下的 力 学 特 性 还 了解得不够充分 。 因此不 能确切理解这种大型熔铸盘在 使用 条件下的 损伤与断裂 规 律 本研究 的 目的是 全面描述这 种盘在疲劳 蠕 变交互 作用 条件下破坏特性及断裂 寿 命 变 化 规律 。 我们 在文献 〔 〕 中指 出 ， 在恒定最大负荷 控 制下的 高温疲劳 蠕变曲 线 及 断 裂 特征图 ， 能较好地描述交互 作用 条件下合金 的行为’ 为此卜 我 们选 择熔铸盘 为 对 象 ， 建立断裂特征 图的 全部理论 基础 ， 包括第一 类断裂特征 图 ， 第二 类断裂 特 征 图 ， 保 载 条件下的 断裂特征 图 ， 断裂特征图基础 上的最大 应力修正的 寿命 公式及频率 修 正 法 的 扩大 应用 。 疲劳蠕变交互 作用 下的 变形特点及 变形速 度的 反应 力 模 型 ， 疲劳 蠕 变交互 作用 下的 裂纹 形核及裂纹扩张 ， 熔铸盘的 力学特征及结 晶方 向性的影 响等 、 这些结果 将 在一 系列文章 中发表 。 实验材料及 方法 试验用 熔铸 涡轮盘材料的 化学 成分见表 ， 试 样从涡轮 盘上直接取样 ， 试样 坯经过 ℃ 固溶 后油冷 ， 再经 ℃ 时效处理 后空 冷 。 试样 尺 寸 见 图 玩 其柱 晶轴 向与 应 力轴 呈 “ 取 向 ， 枝 晶组织 见 图 ， 圆棒 形光滑试样有效长度及 圆弧部 分 系 磨削成型

表1熔锆GIH136涡轮盘ECD材料化学成分 Table I Chemical compositions of ECD elements Mn Si P Ni Cr Mo Ti Fe wt. 0.02 trail 0.19 0.002 0.008 27.61 14.44 .1.82 0.07 0.202.88 Balane0 6295 1350.5 250,5 110g 3.4 ×46°R63 R10 ⑧ Φ5n胜y8 ⊙RoAg 图1低周菠劳试样 Fig,】.LCF specimen 力性实验在MAYES一50E电液伺服低周疲劳试验机上进行。试验采用负荷控制 法，加载波形为方波，频率为1Hz。实验中在维持最大负荷恒定的情祝下通过改变最 小负荷来实现不同交变负荷与平均负荷向二个相反方向的同时增减。载荷谱见图3。实 验温度650℃，沿试样有效长度温度梯度为土3℃，·温度波动为士8℃。 图2熔铐盘低倍组织 图3实验较荷谱 Fig,2.Macrograph of the ECD Fig.3 The wave form for fatigue-creep test 断口观察在JSM一35C扫描电镜下进行，操作电压25kV,分辨率为60A。 2 实验结果 2.1高温疲劳蠕变斷裂曲线 图4表示了纯疲劳，N:=f(a.);纯蠕变，t,=f(om) 及在恒定最大应力下的疲 43

表 娘铸 涡抢盘 材料化学成分 五。 此 叭 。 。 礴下不万不刃二 二二遗已 ，， 兰立足兰土二竺里巴 图 低周疲劳试样 飞 、。 。 。 然黝燕攀群淤黔…量 伪。 一 叽如 几 但，笼 氏初 饥。 二 汽午 九 ︸ 一 一 图 熔铸盘低倍组织 且 五。 图 实验载荷谱 件 ， 。 了 戈 生弓 卜 。 断 口 观察在 － 扫描电镜下进行 ， 操 作电压 ， 分辨率 为 。 实 验 结 果 高温疲劳蠕变断裂 簇线 图 表示 了纯 疲劳 ， 二 仇 纯 蠕变 ， ， 二 。 及在恒定最大 应力 下 的疲

G136ECD650℃1H2 7 123.8 6 223.8 Pure fatigue R=-1 323.8 apnaTtdwe 4 3 08元625.8 2 A Interaction curve 639星 R=1 723.8 Pure creep 10t m 111 ml tu823.8 102 10* 10 105 109 Rupture life Ne(tr) 图4 疲芳—露变断裂寿命曲线 Fig.4 Fatigue-creep rupture life curves 劳蠕变交互作用的断裂寿命与交变应力，平均应力关系曲线，N,=f(σ，m)。绘制这 种曲线图时选用特殊的座标，左侧纵座标表示交变应力（σ，）从下向上增大，右侧纵座 标表示平均应力（σm)从上向下增大。这种相反方向的变化应力构成复杂的应力配合。 可以看出N:=f(o,om)曲线是N:=f(o.)与t,=f(om)二者的综合。在交变应力较大， 平均应力较小时N:与σ.之间关系与纯疲劳的S一N曲线规律相符合：在交变应力较小， 平均应力较大时t,与σm之间关系又满足蠕变断裂规律。从总的趋势看，随着交变应力由 大到小的变化，断裂寿命开始增加，但当交变应力减少到某一临界值时曲线出现回折， 随后交变应力进一步减少时断裂寿命反而缩短。这种倾向是由于平均应力增大而加剧烯 变断裂过程，使高温疲劳过程发生本质变化，由以疲劳为主的过程转变为以蟠变为主的 过程。这种疲劳蠕变断裂曲线与纯疲劳、纯蠕变断裂曲线相比，可明确地看出交互作用 的结果使断裂寿命大大降低。 图5表示在三个恒定最大应力（σ。x)下，得到的三条疲劳蠕变断裂曲线。图中引 入无物理意义的应力函数σ，并令σ：=900-（σ。x):,其目的只是在同一座标轴上表 示出在相同交变应力下，对应于不同最大应力值的平均应力值。最大应力变化使曲线左右 移动。最大应力增加，曲线向左移动，但不改变曲线的基本特征。每条曲线上下二部分 分别满足于疲劳与蠕变断裂寿命方程，其回归方程列于表2。由回归方程可以得到相应 区域的临界应力值点，把这些点连成二条直线(AA与BB),曲线被分成上、中、下三 个区，分别称为F,C与FC区。F区是以疲劳为主的交互作用区，表现为蠕变应力对疲 劳断裂寿命影响；C区为以蠕变为主的交互作用区，表现为疲劳应力对蠕变断裂寿命影 响；FC区为混合断裂特征区，疲劳应力或蠕变应力少量变化均能对断裂寿命产生重要 影响。由图还可以看出在相同的交变应力下，最大应力增加使相应的平均应力增加必然 加剧蠕变作用。所以最大应力增加会造成C区应力范围扩大。 值得注意的是尽管F、C、FC区遵循不同的断裂规律，但无论是哪一个区都始终存 44

浅名璐叭 者 幼 ‘吕 ℃ 之 七 、 。 飞 艺巴 ‘ 飞一汉匕日 廿︺ 衬公吸断 乃夕妞 之艺互之多 ‘红 窝叮以 口。 二 产健不︸‘ 己 匕 ‘ 勺︶ ‘ 己又 己乏 一 压 欲 ， 仑已 口，曰粉︸心 贝︺向口昆 。众也 。 习 」纽迷习二澎 么 瓮 下嘴石霖 心‘ 双 七 图 疲劳一一蠕变断裂寿命曲线 透 宜 一 。 ‘ 。 ， 劳蠕变交互作用 的 断裂寿命 与 交变 应 力 ， 平均 应力关系曲线 ， ， 。 绘制这 种 曲线 图时选用 特殊的座标 ， 左侧 纵座标表示交变 应力 从下 向上增大 ， 右侧纵座 标表示 平均 应力 二 从上 向下增大 。 这种相反方 向的 变化应 力构成复杂的应 力配合 。 可 以看 出 ， 。 ， 二 曲线是 二 。 与 二 。 二 者的综 合 。 在交变应力较大 ， 平均 应力较小 时 ，与 。 之 间关 系与纯疲劳 的 一 曲线 规律相符合 在 交变应力较小 ， 平均应力较大时 与 二 之间关 系又满足蠕 变断裂规律 。 从总 的趋势看 ， 随着交变应力由 大到小的 变化 ， 断裂寿命开始 增加 ， 但当交变应 力减少 到某一临界值时 曲线 出现回折 ， 随后交变应 力进一步减少 时断裂寿命反而缩短 。 这种倾 向是 由干平均应力增大而加剧蠕 变断裂过程 ， 使高温 疲劳过程发生 本质变化 ， 由以疲劳为 主的过程 转变为 以蠕变为主的 过程 。 这种疲劳蠕变断裂曲线 与纯 疲劳 、 纯 蠕 变断裂 曲线相 比 ， 可 明确 地着出交互作用 的结果 使断裂寿命大大降低 。 图 表示 在三个恒定最大应力 “ 。 二 下 ， 得到的 三条疲劳蠕变断裂曲线 。 图 中引 人无物理意义的应 力 函数 ， 并令 二 一 二 。 二 ， 其 目的 只是在同一 座标轴 上 表 示 出在 相 同交变应力下 ， 对应 于不 同最 大应 力值的 平均应力值 。 最大应力变化使曲线左右 移动 。 最大应力 增加 ， 曲线 向左移动 ， 但不 改变 曲线的基本特征 。 每 条 曲线上 下二部分 分别满 足于 疲劳 与 蠕变断裂寿命方程 ， 其 回 归方程列于表 。 由回 归方程可 以得到 相应 区域的临界 应力值点 ， 把这些 点连 成二 条直线 与 、 ， 曲线被分成上 、 中 、 下三 个 区 ， 分别称 为 ， 与 区 。 区是 以疲劳 为主的 交互作用 区 ， 表现为蠕变应力对 疲 劳断裂寿命影 响 区为以蠕变为主的 交互 作用 区 ， 表现 为疲劳 应力对蠕变断裂寿命 影 响 区为 混 合 断裂特征区 ， 疲劳应 力或蠕 变应 力少量 变化均能对 断裂寿命 产生 重 要 影响 。 由图还 可 以看 出在相 同的 交变应 力下 ， 最大应 力 增加 使相应的 平 均应 力增加必 然 加剧蠕变作用 。 所 以最大应 力增加会造 成 区 应力 范围扩大 。 值得注意的是尽管 、 、 区遵循不 同的断裂规律 ， 但无 论是哪 一个区都始终存

在着交互作用，各区所是现的差异在于决定断裂的主要因素不同。 GH136 ECD 650 C 1HZ S.W. 01=900-(0ax)1 5 6 823.8 3 8 opn?T[dwe 784.6 4 735.5 4 +6) A 5 3 6 FC B saJy A 0 C 。wwd3ug是 0102 103 10 10100 Rupture life N (tr) 图5不同最大应力下的疲劳蠕变断裂曲线。 Fig,5 Fatigue-creep interaction rupture life curvea under three different max streases respoctively 表2疲劳蠕变断裂寿命回归公式 Table 2 Regression equations of the rupture life for fatiguecreep interaction tests Gm8x,制Pa F region C region 735.5 0a=7.23103N,-0.32,=-098 0mtr0.053=1.23103,r=-099 784.6 ca=7.43103N,-0.34,r=-0.99 0mtr0.154=3.28-103,r=-0.97 823.8 01=8.48103N,-0.365,r=-0.98 0mtr0.083=1.64103,t=-0.98 R=-1 0a=2.50-103N,-0.18,r=-0.99 R-1 0tr0.057=1.31103,r=-0.97 e. 2.2高温疲劳螺变断裂机构图分析 Ha1es(2以蠕变及疲劳裂纹萌生与断裂曲线为依据分析疲劳蠕变交互作用下断裂 机构。把这种分析方法应用到这里，并试图在裂纹萌生与扩展致断分析基础上得到完整的 断裂特征图。图6绘出蠕变裂纹萌生曲线(CC0)与断裂曲线(CC)及疲劳裂纹萌生 曲线(fofo)与断裂曲线(ff)。四条曲线的交点记为A、B、D、E。A点、D点所示 的交变应力记为（σ：）A与（σ，）p。根据A、D点交变应力值的相对大小可分为三种情 祝分析交互作用下的断裂机构。 2.2.1(o,)>(o,)n(图6、a) 根据四条曲线及（σ：）A>(σ，)的相对关系可得到五个断裂机构区：FF、FCF CFF、CFC及CC。所谓FF机构是疲劳裂纹萌生与扩展致断的机构，FCF机构是以疲 45

在着交互作用 ， 各区所呈现的差异在于 决定断裂的主要因素不 同 。 衬乞日︾。﹄二弓。忍气洲 卫 一 石多 · 名 吕 。 · 叭 二 。 一 州 动 守。 多 一 、 一 乡多 。 油一卜 另人 卜卜了 冬些 ’ 占 口 办山二啥 。订护花节尸 七 势 振呼缨花产墨 山 工 侧衬洲曰山洲留 。﹄己昆，自气色欠习 全 图 不同最大应力下 ‘ ‘ 一 。 “ 的麟蠕姗瓢线 · 心叹 ，必‘ 公 三 巴 色 七 犷 已 。 飞 表 疲劳 蠕变断 裂寿命 回 归公 式 比 行 ，， 幽‘ ‘ 箱 ‘ 正 公飞 ， 门 ‘ 居‘ 以 祖 目抽洲拍 业 妇 ‘ 昌 曰口口‘ ， 眨 ，口 ‘ 曰 西 一 如。 别 帅阴 咬 减 翻 刀二‘ 别 二 口泥 泊 ‘ 刀 目 ‘ 百 霭 日 “ 器目济 猫勺 节‘ 缘 ‘ ，枷协 ，，刽匀浏丫互‘ 盆二二 ‘ ‘ ， 姿 ，吸 队乃 动印绍‘ 口卫 习 胭， 毖 口 ， 至 ‘ 二翌竺‘ ‘ … 里 …一 吕 口 ， · ， 一 ， 迸 一 · 砂 口 一 · 一 一 一 ‘ 离 称岛哥一一一一止三 高温疲劳蠕变断裂机构图分析 惑 禽 薰燕嚣薰巡薰簌薰糕重 纷 而 与断裂曲线 一 仃 一 豹交变应力记为 。 ， 与 叭 况分析交互作用下的断裂机构 。 一 ‘ 。 ， 四条曲线的交点记为 、 、 、 点 · 点 所 示 、 根据丸 、 点交变应力 值的相对大小可分为三种 情 图 、 郡恕怒恶咒爵氛磊鑫瓢篡篡粼黔怒磊爵公

5 5 FF B FCE FCF CFF FCC A D CFC CFC cc cc c. Rupture life Nr (tr) Rupture life N(t) 6 8Pn331115 FF / Co FCF D CFC cc Rupture1ifer（tr） 图6疲劳一蠕变交互作用断裂机构示意图 Fig.6 Schematic drawing of fatigue-creep interaction fracture mechanism 劳裂纹萌生为主又有蠕变裂纹形成，但以疲劳裂纹优先扩展致断；CFF机构是伴随蠕变 裂纹萌生的疲劳裂纹生核并与蟾变裂纹生核相竞争，并以疲劳方式致断机构：C℉C机 构是蠕变裂纹形核随后疲劳裂纹萌生，但以蠕变方式致断；CC机构是蠕变裂纹形核并扩 展致断。 2.2.2(0.)(a.)o 情况所示的机构差异在于中间区的机构不同。（σ，)A>(σ。)n时中间区为CFF,而 (a,)A<(o。)时中间区为FCC机构。FCC机构为伴随疲劳裂纹萌生的蠕变裂纹萌生并 与疲劳裂纹扩展竞争扩展，最后以蠕变方式扩展致断。 2.2.3(a.)a=(g.)n(图6.C) 此偕况下中间区(FCC或CFF)消失，只存在FF、FCF、CFC及CC四个区域。 由此看出四条曲线相对位置的变化可以导致不同交互作用断裂机构。这三种情况表 示了所有可能的情况，具体情况可以根据断口特征的细微观察作出判断。熔铸GH136 46

户匕。署。﹄。落任 直 心衬曰洲。口山曰吸。匀灿叮 衬艺口﹄如。口 一‘ 一占岛曲户口， ﹄ 一矛矛牌人， 翻 ， ‘ 丫率工， ︸一一户万︺︸决一一 勺洲州衬衬们弓众川日仍。﹄口 ， 获。 几工 。 巩 七， 夕口幻八 篇口川必 ’ 、 ‘ “ 、 仪 “ ’ 、 、 ” ’ ， 一公艾 下入 ‘ 二一头 一 ， 产 、 、 试卜、 一 － 一 一 ‘ 一 一 守久 土 一 。 、 、 。厂 一了 工 入 七 二 图 疲劳一蠕变交互作用断裂机构示意 图 五。 份吞 已 怪 一 丈亡 乙 了 仑 几 名鱼 劳裂纹 萌生 为 主又 有蠕 变裂纹 形成 ， 但以疲劳裂纹优先扩展 致断 机构是伴随蠕变 裂纹 萌生 的 疲劳裂纹生 核并与蠕变 裂 纹 生 核相竞争 ， 并以 疲劳方式致断 机构， 机 构是蠕变裂纹 形核随后 疲劳裂纹萌生 ， 但以蠕变方式致断犷 机构是蠕变裂纹形核并扩 展致断 。 。 。 图 在 此 情况存 在 、 、 、 与 五个机构区 ， 它与上述 叭 ‘ 。 情况所示的 机构差异在于 中间区的 机构不同 。 口 ， ‘ 。 。 时中间区 为 ， 而 。 。 。 时中 间区为 机构 。 机构为伴随疲劳裂纹萌生的 蠕 变裂纹萌生 并 与疲劳裂纹扩展竞争扩展 ， 最后以蠕变方式扩展致断 。 · ， · 。 图 此 店见下 中间医 或 消 失 ， 只存在 、 、 及 四个区域 。 ， 由此 看 断四 条 曲线 相对位置的 变化可 以导 致不 同交互作用 断裂机构 。 这三种情况表 示 了所有 可能的情况 ， 具体情况可 以根据断 口 特征的细 微观察作出判 断 。 熔 铸 任

材料符合(o,)a>(o,)n的情况时应存在FF、FCF、CFF、CFC及CC五个断裂机构 区。 2.3交互作用下断口形貌分析 对不同应力条件下断口形貌进行全面观察，FF断口（图7，a)表现为典型疲劳断 口形貌特征，即有明显疲劳源区与瞬断区，在表面与次表面萌生疲劳源，疲劳裂纹扩展 区条纹间距随交变应力增大而变大。CC断口（图7，b)形貌基本特征是蠕变孔洞的形 成与长大。处于蠕变后期未断试样在液氮中低温打撕的断口形貌仍然呈现明显的孔洞。 (图7，C)。这证实CC断口上孔洞是蠕变产生的。蠕变孔洞可发源于第二相与基体交 界处，并与应力轴相垂直的晶界的分离形成主裂纹。另外一些蠕变孔洞处于倾斜主断面 的沿技晶界分布的小圆孔洞，并由它们沿晶连结形成二次裂纹，孔洞壁上有滑移痕迹。 (图7.b)。FCF断口（图7.d)上有明显的菠劳特征，但又可以看到蠕变空洞。 CFC断口（图7。C)特征表现为沿表面形成的未大量扩展的局部疲劳源区与以内部蠕 变孔洞及二次裂纹为主要形成的蠕变区的混合特征，但断口的大部分是蠕变孔润连接起 来的致断区。随着交变应力增大，疲劳比重增加，断口由CFC机构转为CFF机构（图7.f)。 此时，已没有可以区分的独立的疲劳区及蠕变孔洞区，而是二者湘互为邻，混合扩展， 但接近瞬断区处疲劳条纹较多，在CFF区的应力范围内，疲劳条纹和蠕变孔洞各自占的 面积随交变应力和平均应力相对大小而改变。对断口形貌分析表明熔铸盘交互作用断裂 机构区为FF、FCF、CFF、CFC及CC五个区，并且可以得出各区的交界线。 2.4交互作用的第一类断裂特征恩 根据上述关于断裂机构的理论分析，断口形貌观察把不同交变应力下的断裂机构分 为五个区，并根据宏观寿命所满足的规律得到三个交互作用区。综合了纯披劳、纯蠕 变及三个恒定最大应力的交互作用曲线得到同时包括F、C与FC三个基本特征区及五个 精细断裂机构区的完整断裂机构图（图8），称为第一类交互作用特征图，这个图是建 立在宏观寿命与微观机制相结合的基础上的。其中由宏观寿命得到的F区主要包括FF, FCF区，C区包括CC与少部分CFC;而FC包括CFF与大部分CFC机构；CFC主要处 于FC区而不是C区。另外断裂特征图还揭示了疲劳为主的F区应力范围比以蠕变为主的 C区范围大，上述二方面的事实表明该盘材具有较高的蠕变断裂抗力与相对较低的疲劳抗 力的高温力学特性。利用断裂特征图还可以判断在任何交变应力与平均应力共同作用下 (a)mx735.5Mpa Gn490.4Mpa (b)oe745.3Mps 47

材料符合 “ · 叽 沁的情况时应存 在 、 、 、 及 五个 断 裂 机 构 区 。 六 交互 作用下断 口 形貌分析 群翻泌嫌 异 根据上 交 述 互 关 作 于 翎 断 的 裂 第 机 一 构 类 的 称断 理 裂 论 特 分 征 析 图 ， 断口 形貌 观察把 分 不同交变应力 卞的断裂 机构分 … 燕潺熬淤熟蕉烹 熬然龚蒸蒸鑫撇鑫模 扭 寸示 “ 尔 一 口 讨 ‘ 叮 。 召 盆

(c)Cmax823.8Mpa Ca49Mpa (d)0max784.6Mps0.392,3Mps (e)Omax784.6Mpa ca147.1Mpa (f)Om ax735.5Mpn Oa294.2Mpa 图7疲劳螨变断口形貌 Fig.7 SEM micrographs of fracture surfaces (a)FF,(b)CC,(C)CC,(d)FCF,(e)CFC,(E)CEF GH136CD650℃1Hzs,W. 决定材料断裂寿命及断裂机构的 竖 01=900-(0ax)1 主要因素。这张断裂特征图提供 6 d3 了在最大应力，最小应力，交变 e25.8 5 FF 764.6 4 应力及平均应力配合的复杂应力 草 735.5 下的宏观寿命变化规律及微观断 opn3 R=-1 4 FCF 6 裂机构的资料；还可表征材料断 FC Tdue CFF 6 裂抗力大小及交互作用强烈程 CFC 度，通常是在接近纯疲劳极限的 717.9 cc 交变应力范围，交互作用使寿命 、E86.5 18 剧烈缩短。 10 103 104 105 10 Ruputure life Ni(tr) 86583478473568667 Creep stress,Mpa 图8熔铸盘疲劳蠕变交互作用断裂特征图 Fig8 Fatigue-creep iuteraction fracture mecbanism map for ECD 48

叮 画 。 二 。 。 马 二 通 · 口。 二 · · 口 。 、 · 汀 ， 图 疲劳蠕变断 口形貌 。 边 名 厂 。 。 ， 犷， 丈七 ， ， ， ， 。 卜 。 飞 、 。 。 。 妙 。 ，既 。 ， 一 个 誉荟、、丫货登芬艺翻 。︸ 乡 呼于 · 甘 决定材料 断裂 寿命及断裂机构的 主要 因素 。 这张断裂特征图提供 了在最大应力 ， 最小 应力 ， 交变 应力及平均应力配 合的复杂应力 下的 宏 观寿命 变化规律及微观断 裂 机构 的资料 还 可表征材料 断 裂抗力大小及交互作 用 强 烈 程 度 ， 通常 是在按近纯 疲 劳极限的 交变应 力范围 ， 交互 作用 使寿命 剧烈缩短 。 八口亡 八 、 七 砒 飞 卜人 卜 ， 今 少卜、 式 之 沈 沙 夕 翻 匕奋， 母势 舀八一 乞吸母 。井咎里含。。。 母七 氛饰 图 熔铸盘疲劳蠕变交互作用断裂特征 图 宜召 一。 龙。 “ 恤 卜 宜，透 几 珍

3交互作用机构讨论 3,1熔铸盘交互作用断裂机构的主要表现 根据疲劳蠕变断裂曲线及疲劳蠕变交互作用断裂特征图，交互作用对F区及FC区 寿命影响比对C区影响大得多，这种高温力学特性是与熔铸盘粗大柱状晶组织密切相关 的。不同应力条件下交互作用在断口形貌上反映归纳为以下几点： 、 (1.)通过蠕变对疲劳（或疲劳对蠕变）断裂过程的影响，导致寿命的降低。这种 交互作用不改变断口形貌，但影响寿命。 (2)交互作用增大未溶第二相的有害作用，增加内部疲劳源，增加次表面缺陷形 成疲劳源的倾向，以致减少了表面裂纹及增加二次裂纹（图9、a)。 (3)优先形成的蠕变孔洞，作为疲劳源诱发疲劳裂纹萌生促进疲劳裂纹扩展，或 者说蠕变裂纹获得疲劳扩展（图9、b)。 (4)Stage I裂纹扩展平面上出现明显滑移痕迹，甚至形成浅孔洞，即浅孔洞型 Stage I裂纹扩展（图9。c)。 (a)amA823.8Mp4,411.9Mp4 (6)cmx784,6pac,147.1Mp (C)口m2h735.5Mp3o,198.1Mpa (b)0mx823.8Mp80:245.2Mp8 图9交互作用断口形貌 Fig.9 SEM mierographs of the fracture surfaces 49

交互作用机构讨论 熔铸盘交互作用断裂机构的主要表现 落裂纹扩展 图 。 。 。井住 任 一 皿 吐 ， 冬 幻 。 西 。 ， 刚 从 应 口 打 严 甄 二 咖 “ 叭 狮 ‘ 图 交互作用断口 形貌 五 。 。 。 二 ， 口 。 抑 ， 云。 合 五 亡

(5)StageⅡ裂纹扩展条纹深化且.间距增大、疲劳条纹不规则化，甚至在局部条 纹间有孔洞型裂纹（图9、d)，其形态与单纯的沿疲劳条纹的二次裂纹不同。 所有这些交互作用均以不同机构加速蟠变或疲劳裂纹生核与扩展，降低断裂寿命， 但在不同区内表现不同的特征。交互作用机构概括地说可以分为应变型交互作用与应力 型交互作用。所谓应变型交互作用是通过裂纹尖端的塑性区起作用（上述(4）、(5) 二点就是典型的表现)加剧裂纹扩展而降低寿命。交互作用增大塑性区导致疲劳裂纹扩 展速度增大。同样蠕变裂纹尖端的疲劳交变应变会促进空位形成与扩展，从而加速蠕变 裂纹的扩展(3)。所谓应力型交互作用是由平均应力引起的，即使蠕变变形量很小，只 要存在平均应力就会影响裂纹形成与扩展。大的拉伸应力使第二相边缘裂纹形成可能性 增大，尤其是增大次表面处第二相裂纹形核儿率。蠕变孔洞的疲劳扩展是一种应力型交 互作用的例子。熔铸盘具有大的蠕变抗力与相对低的疲劳抗力，所以在大的镭变应力与 小的交变应力下可以见到这种现象。Bak(4发现在高温和不对称波形试验条件下也有 这一现象。在负荷控制下上述两种交互作用都可进行，甚至在断口上产生独立的旅劳区 与蠕变区，显然恒负荷试验能更广泛地反映疲劳蠕变交互作用。 3.2疲劳蝎变交互作的竞争模型与积累模型的讨论 由上述实验结果及分析表明了F、C与FC区具有不同交互作用机构，必须分区讨 论。在F区决定断裂的主导因素是交变应力。交互作用表现为平均应力及蠕变对疲劳的 加速作用，断裂的宏观规律及微观机构只是疲劳特征的表现，而不是表现蠕变特征。在 C区决定断裂的主导因素是平均应力。交互.作用表现为交变应力及疲劳应变对蠕变的加 速作用。主导断裂机构的出现导致排斥另一种机构的出现，把这种交互作用称为竞争模 型。F区是以疲劳为主导的交互作用竞争模型；C区为以蠕变为主导的交互作用的竞争 模型；而FC区交变应力与平均应力对断裂机构均有重要影响，蠕变断裂与疲劳断裂同 时大面积地出现，互相竞争发展，使疲劳蠕变断裂过程为两种断裂过程的迭加。这种交 互作用称为积累模型，FC区是以积累模型为主导的交互作用区。 同时还应看到F区与C区除有竞争模型外，还包含着积累损伤。它包括由形变造成 的损伤及其对裂纹形成和扩展的影响。以及非主裂纹的疲劳或嬌变短裂纹或二次裂纹造 成的损伤，它们对断裂机制下的损伤积累不产生主要影响。疲劳为主的交互作用断裂机 构与寿命变化规律和纯疲劳寿命公式之间区别就是F区中总的积累作用的客观衡量。同 样，纯蠕变的寿命公式与以蠕变为主的交互作用的断裂寿命公式之间的区别是C区中总 的积累作用的衡量。因此，更确切地说，以疲劳为主导的竞争模型和蠕变对疲劳辅助的 积累作用是F区交互作用的本质特征。同样蠕变为主导的竞争与疲劳对蠕变的辅助积累 是C区交互作用的本质特征。FC区以积累为主导的模型正是二种断裂机构相互竞争的结 果。由此说明了交互作用的竞争模型与积累模型的统一。 竞争与积累作用都是对材料组织结构，外界温度，应力及环境条件敏感的。不同外界 条件，同样的材料组织结构会有不同的作用，因此必须分区讨论各区交互作用的本质区 别。以熔铸盘为例，由于熔铸盘具有粗大柱品及大量枝晶间初生相，它具有较强的蠕变 抗力及相对较弱的疲劳抗力，这种特性已由测得的第一类断裂特征图（图8）所证实。 该图表明：F区复盖的应力范围比C区大得多；只有CFF区，而无FCC区，F区主要包 50

裂纹扩展条纹深化且间距增大 、 疲劳条纹不规则化 ， 甚至 在局部 条 纹 间有孔 洞 型裂纹 图 、 ， 其形态与单纯 的沿 疲劳条纹的二次裂纹不同 。 所有这些交互 作用 均以不 同机构加速蠕变或疲劳裂纹生核与扩展 ， 降低 断裂寿命 ， 但在不 同区 内表现不 同的特征 。 交互作用 机构概括地说可以分为 应变型交互作用与 应力 型交互作用 。 所 谓应变型交互 作用 是 通过裂纹尖端 的塑性区起作用 上述 、 二 点就是典型的表现 加剧 裂纹扩展而 降低寿 命 。 交互 作用 增大塑 性区导致疲劳裂纹扩 展速度增大 。 同样蠕变裂纹尖端的疲劳 交变 应变会促进空位形 成与扩 展 ， 从而加 一 速蠕变 裂纹的扩展〔 “ 〕 。 所谓应力型交互 作用 是 由平均应力 引起 的 ， 即使蠕 变变 形量很 小 ， 只 要存 在平均应力就会影响裂纹形成与扩展 。 大的拉伸应力 使第二相边缘裂纹形成可能性 增大 ， 尤 其是 增大次表面处第二相裂纹 形核几率 。 蠕变孔洞的疲劳扩展是一 种应力型交 互 作用 的 例子 。 熔铸盘具有大的蠕 变抗力与相对低 的疲 劳抗力 ， 所以在大的蠕变应力与 小 的交变应力 下可以 见到这种现象 。 “ 〔 ‘ 〕 发现在高温和不 对称波形试验条件下 也 有 这一现象 。 在负荷 控制 下上述两 种交互 作用都可进行 ， 甚至 在 断 日上 产生独立的疲劳区 与蠕变区 ， 显然恒负荷试 验能更广泛地反映疲劳蠕 变交互作用 。 。 疲 劳蠕 变 交互 作的竞争 模型与积累 模型的讨 论 由上述实 验结果 及分析表 明 了 、 与 区 具有不 同 交互作用 机构 ， 必 须 分 区 讨 论 。 在 区决定断裂的主导 因素是交变应力 。 交互作用表现为 平均 应力及蠕变对疲劳 的 加速作用 ， 断裂的宏 观规律及微观机构只是 疲劳特征的表规 ， 而不 是表现蠕变特征 。 在 区决定断裂的主导 因素是 平均应力 。 交互 作用 表现为交变应力及疲劳应变对蠕变的 加 速作用 。 主导断裂机构的 出现导致排斥另一 种机构的 出现 ， 把这种交互作用称为竞争模 型 。 区是 以疲劳为 主 导的 交互作用 竞争模型 区为 以蠕 变为主导的交互作用 的 宽 争 模型， 而 区交变应力与平均 应力对断裂机构 均有重 要影响 ， 蠕 变断裂与疲劳断 裂 同 时大面积地 出现 ， 互相竞争发展 ， 使疲劳蠕 变断裂过程为两种断裂过程的迭加 。 这种交 互作用称为积累模型 ， 一 区是 以积累模型为主导的交互 作用 区 。 同时还 应看到 区与 区除有竞争模型外 ， 还包含着积累损伤 。 它 包括 由形变 造 成 的损 伤及其对裂纹形成和扩展的 影响 。 以及非 主裂纹的疲劳或蠕变短裂纹或二次裂纹造 成的损伤 ， 它们对断裂机制下的损伤积累不 产生 主要影响 。 疲劳为主的交互作用断裂机 构与寿命变化规律和纯疲劳寿命公式之间区别 就是 区中总的积累作用的客观衡量 。 同 祥 ， 纯蠕变的寿命公式与以蠕变为主的交互 作用的断裂寿命公式之间的 区别是 区 中 总 的积累作用 的衡量 。 因此 ， 更确 切地说 ， 以疲劳为主导的竞争模型和蠕变对疲 劳辅 助 的 积累 作用 是 区交互作用 的本质特征 。 同样蠕变为主导 的竞争与 疲劳对蠕变的辅助积 累 是 区交互作用 的 本质特征 。 区以积累为主导 的模型正是二 种断裂 机构相互竞 争的结 果 。 由此说明 了交互作用 的竞争模型与 积累模型的统一 。 竞争与积累作用 都是对材料组织结构 ， 外界温 度 ， 应力及环境条件敏感 的 。 不 同外界 条件 ， 同样的材料组织结构会有不 同的作用 ， 因此必须 分区讨论各区 交互 作用 的 本质区 别 。 以熔铸盘为 例 ， 由于熔铸盘具有粗大柱 晶及大量枝晶 间初生相 ， 它具有 较强 的蠕 变 抗力及相对较弱的 疲劳抗力 ， 这种特性已 由侧得的第一类断裂特征 图 图 所证实 。 该 图表 明 区复盖的 应力范围比 区大得 多， 只有 区 ， 而无 区 区主要 包