一种铁基高温合金的周期蠕变

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1985.04.005 北京钢铁学院学报 1985年第4期 一种铁基高温合金的周期蠕变 北京钢铁学院高温合金教研室谢银善徐志超 上钢五广 朱金元林振通 摘要 对GH132合金的周期蠕变研究指出，该合金在周期蠕变条件下其变形规律是复 杂的，除了弹性应变，塑性应变外，还有滞弹性应变。这种变形规律的特征随周期 应力卸载条件下最小应力的大小而变化。在高的最小应力条件下，可以表现为合金 以不同的应变速率分别在高、低应力下交替地进行。 一、引 言 为了系统研究高温合金在接近使用条件下的变形及断裂，我们开展了一系列的工作。对 GH132铁基合金在650℃，GH33A镍基合金在750℃周期持久交变应力条件下的断裂研究指 出【】，由于蠕变一疲劳的复合作用而使两种材料都表现为弱化。因为在周期持久试验条 件下仅记录其断裂寿命，所以对周期交变应力条件下的蠕变变形规律一无所知。近年来 Morrisi和Harris)、Halford()以及Tien等)对不锈钢和高温合金进行了周期蠕变 的研究，显示出在周期交变应力条件下的动态蠕变曲线是非常复杂的。 国内对周期持久的研究工作已见公开发表[5，]，但周期蠕变的工作尚未开展，为了探 讨在周期蠕变条件下的变形规律、动态蠕变速率的控制因素以及不同周期应力条件下的断裂 特征，作为系统研究的探讨而开展了本文的工作。 二、试验用料及方法 试料取自上钢五厂电弧炉+真空自耗大生产的GH132合金90mm方锻坯熔检试料，合 金的化学成分见表1。 表1 GH132合金的化学成份（重量%） 合金 炉号 C Si Mn P Cr Ni Mo VA I TiB Fe GH132818-850.0530.511.520.0060.01314.8225.71.350.320.2252.180.007基 合金的热处理制度为：980℃/1小时/油冷+720℃/16小时/空冷。 试验是在上钢五广自行改装的CC-2A型周期持久机基础上再扩大炉管加入形变测量装 量，借用T-48型蠕变试验机上的传感器和读数仪，读数仪的精确度为10~4mn,准确度是 36

北 京钢铁 学院学报 年 第 期 一种铁基高温合金的周期蠕变 北京钢铁学院 高温合金教研 室 谢锡普 徐志超 上 钢 五 厂 朱金元 林振通 摘 要 对 合金 的周期蠕变研 究指 出 ， 该合金在周期蠕变条件下其变形规律是复 杂的 ， 除 了弹性应 变 ， 塑 性应 变外 ， 还 有滞 弹性应 变 。 这种 变形规律 的特征 随周 期 应 力卸载条件下最小 应力 的大小 而 变化 。 在 高的最小 应力 条件下 ， 可 以表 现为合 金 以不 同的应 变速率分 别在 高 、 低应力 下交替地进行 。 已】 健犷 、 了 者 厂了 为 了系统 研究 高温合金 在接近使用 条件下的 变形 及断裂 ， 我们开展 了一 系列 的工 作 。 对 铁基合金 在 ℃ ， 镍基合金 在 ℃周 期持久 交变应力条件下 的断裂 研究指 出 〔 ‘ ， 由于蠕变— 疲 劳的 复 合 作用而使 两种 材料都 表现 为弱 化 。 因为 在周 期持久试 验条 件下仅 记录 其断 裂 寿命 ， 所 以 对 周 期 交变应力条件下 的蠕变变形规 律一无 所 知 。 近 年米 和 工“ 、 以 及 等 ‘ 对不 诱钢和 高温合金进 行 了周 期蠕变 的 研究 ， 显示 出在周 期交变应力条件下 的动态蠕变曲线是非常复杂的 。 国 内对周 期持久的 研究工 作已见 公 开发表 〔 ” ， “ ， 但周 期蠕变 的工 作尚未开展 ， 为 了探 讨 在周 期蠕变条件下的变形规律 、 动态蠕变速 率的控制 因素以 及不 同周 期应力条件下的断裂 特征 ， 作为系统 研究 的 探讨而开展 了本文 的 工 作 。 二 、 试验用料及 方 法 试 料取 自上钢五厂 电弧炉 真空 自耗大生产 的 合金 方锻坯 熔检试 料 ， 合 金 的 化学成分见 表 。 表 合金 的 化学 成份 重量 合金 ‘ 炉号 … ‘ · … ‘ 。 … ‘ ‘ · “ “ · ” 。 日︸﹄ …基 月‘几 一 · 。 … · … · · 。 · 。 · 合金 的 热 处理 制度为 ℃八 小 时八由冷 ℃ 小 时 空冷 。 试 验是 在上钢五厂 自行 改装 的 一 型周 期持久机 基础 上再扩大炉管加入形变测 量装 量 ， 借用 一 型蠕变试验机上的传感器和 读数仪 ， 读数 仪的 精确度为 一 毛 ， 准 确 度 是 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1985．04．005

10~3mm。周期蠕变试样为中5×25mm的非标准试样。 周期蠕变试验的载荷谱如图1所示。采用固定最大应力（σ1），固定频率，改变最小应 46 △t=4小时 02 时间t 图1周期蠕变试验载荷谱 力（σ，）。因为不能自动记录变形量，所以采取尽可能多的定点测量。载荷谱中△t=4小 时。在4小时中，分别在0、0.5、1、2、3、4小时测量变形，根据这些点绘出周期蠕变曲线 并与静态蠕变曲线比较。具体试验条件见表2。 表2 周期蠕变试验条件 合 金 GH132 温 度T(℃) 650 最大应力o1(kg/mm) 46 10 最小应力g2(kg/mm2) 23 43 保持时间△t（小时) 为了分析周期蠕变条件下的断裂特征，将试样断口在JCXA-733型扫描电镜下作直接观 察。试样观察前采用15%KMnO,+20%NaOH+H2O溶液煮沸0.5小时清洗。 三、结果和讨论 GH132合金在650℃保持最高应力o1为46kg/mm2,并分别改变最小应力o:为10、 23、43kg/mm(即分别为最高应力的20%、50%、90%)，保载时间为4小时的周期蠕 变曲线与o1=02=46kg/mm2的静态蠕变曲线综合示于图2。如果以总保载时间来计算， 周期蠕变寿命要高于静态蠕变寿命，且静态蠕变速率也高于其它三种条件下的动态蠕变速率 （见图3)。可以认为在这种周期应力条件下的蠕变是受平均应力（即σ1+σ2/2）所控制， 由于平均应力的降低而明显地延长蠕变寿命。 仔细分析三种周期蠕变条件下的蠕变变形细节是有所不同的（见图4、5、6），图 4a为o1=46kg/mm2，g2=10kg/mm2条件下一个典型的加载和卸载周期中的变形规律 (它是图2中曲线D的局部放大图)，在加载的4小时中随着温度与时间的作用而产生一定 37

一 。 周 期蠕变试 样为小 的非标 准试 样 。 周 期蠕变试 验 的 载荷谱如 图 所示 。 采用 固定最 大应力 。 ， 固定频 率 ， 改变最小应 吓 了。任冲已 才 、 众谈 时 间七 图 周期蠕 变试验 载荷谱 力 。 因为不 能 自动记录 变形量 ， 所 以 采取尽可 能 多的定点测 量 。 载荷谱 中 △ 小 时 。 在 小时 中 ， 分别 在。 、 、 、 、 、 小 时测 量变形 ， 根据这 些点绘 出周 期蠕变 曲线 并与静态蠕变曲线 比较 。 具体试 验条件见 表 。 表 周 期蠕变试 验条件 合 金 温 度 ℃ 最 大应 力 ， “ 一—— 一 — 」— 最 小应加 ‘ “ ， 丽一一 」 保持时间△‘ 刁 、 时 为 了分析周 期蠕变条件下 的断裂特 征 ， 将试样断 口 在 一 型扫描 电镜下 作直接 观 察 。 试样观察前采用 ‘ 溶液 煮沸 小时清洗 。 三 、 结果 和 讨论 合金 在 ℃保持最高应 力 为 “ ， 并分别 改变最 小应 力 为 、 、 “ 即分别 为最 高应 力的 、 、 ， 保 载时间为 小 时的周 期蠕 变 曲线 与 “ 的 静态蠕变 曲线综 合示 于 图 。 如 果 以 总保 载时 间来 计算 ， 周 期蠕变寿 命要高于 静态蠕变寿 命 ， 且 静态蠕变速 率也高干 其它三 种条件下 的 动态蠕变速 率 见 图 。 可 以认 为在这 种周 期应力条件下 的蠕变 是受 平均应力 即 。 ， 。 所控制 ， 由于平均应 力的 降低 而明显地延长蠕变寿命 。 仔细分析 三种周 期 蠕变条件下的蠕变变 形细节是 有所不 同 的 见 图 、 、 ， 图 为 二 “ ， 。 条件下一 个典型 的 加载和 卸载周 期 中的 变 形规律 它是 图 中曲线 的局 部放大 图 ， 在加 载的 小 时 中随着温度与时间的 作用 而产生一 定

0:=46kg02x43kg/mm2 g=46kg/mm:(B)7(=8.91mm) (A) 0!=57::3k/11n÷ e) g1÷4bB::10kg/nm (D) 二 howwwwvwiy 2006080100120140160”1 时间、t站， 图2GH132合金在650℃的周期蠕变及静态锡交曲线 人： 6/1g kg/mm: 46kg/mm2 hg/mm- 46/4u 5'm2 6 6/ 0.09 0一6/3 kg.mm 4-6/43 kg/mm' 0-6/2) m 60 120 时m!,:(小时) 图3GH132合金在650℃的周期婚变及静态壩变速度曲线 的应变。可是在卸载至低应力时除了弹性恢复外，还出现一个应变随时问的延续而逐渐降低 以保持一个水平的应变驰豫过程，即所谓滞弹性现象1。这种滞弹性在图4b中表示为游， 在下一个加载周期中弹性应变为ε弹。在保载时间的总应变量中主要部分为蠕变变形量ε编， 但其中有一小部分是滞，即在卸载到低应力时，将随着时间的延续而回复回去的滞弹性应 变量。这就进一步明确了在高应力下保载的总应变量应为弹性应变、佳应变和滞弹性应变 三部分的总和，即ε总=ε弹+￡蒲+￡裙，实际上造成蠕变变形的是其中的一部分塑性变形。 38

亡 二 省 味 ‘ 二 端染钊 ” 一 ’ 一 仁 时 雨卜 七 小 图 合金在 ℃ 的周期蠕 变及 静态 蠕 变 曲线 “丫“ 音二 二 拐 、 拼 ‘ 一，、飞 一 亘 二 飞飞 乙 一 拍 招 飞 ’ 一 生乙 护 认 飞 」 兴侧盆岁︶、︵句叶旧以螃 时扣 小时 图 合金在 ℃ 的周期蠕变及 静态蠕 变速度 曲线 的应变 。 可 是 在卸载至低应 力时除 了弹性恢复外 ， 还 出现一 个应 变随时间的 延续 而逐渐降低 以保持一个水平的应变驰豫过程 ， 即所谓滞弹性现 象 汇 。 这种滞弹性 在图 中表示为“ 带 ， 在下一个加 载周 期 中弹性应 变为 弹 。 在保 载 时间的 总应变量 中主 要部分为蠕变变形 量 蠕 ， 但 其 中有一小部分 是 滞 ， 即 在卸载到低应 力时 ， 将随着 时 间的延续而 回复回去的 滞弹性应 变 量 。 这就 进一 步明确 了在高应力下保 载的 总应 变量应 为弹性 应 义 、 塑仕应 变和 滞弹性应 变 三 部分的 总和 ， 即“ 总 二 “ 弹 十 “ 滞 十 “ 蠕 ， 实际 上造成蠕变变形 的 是 其 中的 一 部分塑 性变形

0.3 ) 0.2 8小时 0.11L 时间（小时） 图4aGH132合金0：=46kg/mm2/g2=10kg/mm2周期蠕变曲线局部放大图 )元酒 时间(t) 图4b周期应力条件下的滞弹性 当增加最小应力σ2=23kg/mm2时，这时试样的平均应力增加，在卸载时除了弹性回 复和应变驰豫外，经过一定的孕育期后，又继续发生蠕变。这个现象可以从图5中看出（图 5是图2中曲线C的放大图)。 当最小应力σ2增高到(43kg/mm2)滞弹性回复很少，到试验后期几平看不出来。这 时作用在试样上的平均应力很高，差不多接近最大应力，所以应变驰豫和继续蠕变前的孕有 期很难从蠕变曲线上反映出来。因此，试样在高应力作用下，以很高的应变速率进行变形， 在低应力下，以较低的应变速茶交替地进行变形，直正断裂，见图6（图6是图2中曲线B 的放大图)。 39

， … 矢︵御﹀ 。喇奖翻 ，尸 八 时间 小时 〕 图 合金 ， 二 “ “ 周期蠕 变 曲线局部 放大 图 点 一 ︸ ︵ 气讨例甘 图 周 期应 力 条件 下的滞弹性 当增加 最 小应 力 口 二 “ 时 ， 这 时试样 的平 均应 力增加 ， 在卸载 时除 了弹性回 复和应变驰豫外 ， 经 过 一定的孕 育期后 ， 又继续 发 生蠕变 。 这个现 象可 以 从图 中看 出 图 是 图 中曲线 的放大图 。 当最 小应 力 。 增高到 “ 滞弹性 回复很 少 ， 到试 验后 期几乎看不 出来 。 这 时作用 在试样 上的平均应 力很高 ， 差 不 多接近最大应 力 ， 所 以 应 变驰 豫和 继续蠕变前的孕 育 期很难 从蠕变 曲线 上反映 出来 。 因 此 ， 试样 在高应 力作用下 ， 以 很 高的 应变 速率进 行变形 在低应 力下 ， 以 较低 的应 变速 率 交替 地进 行变形 ， 直至 断裂 ， 见 图 图 是 图 中曲线 的 放大 图

8小时 0.2 时间：.上t4时) 图5(GH132合金在g1=46kg/mm2/g2=23kg/mm2,650℃周期蠕变的局部放大图 () 8小时 0 时闻.t(小时) 图6GH132合金在σ：=46kg/mm2/o2=43kg/mm2,650℃周期孀变的局部放大图 对GH132合金在650℃所作复杂应力条件下的蠕变及断裂研究表明！，由于端变引起 的断裂主要在晶界，而疲劳引起的断裂主要在晶内。GH132合金在650℃静态蠕变断裂的断 口表明，以沿晶断裂为主的混合断裂1！。同样，GH132台金在不同周期蠕变条件下的断口 形貌仍显示以沿晶断裂为主的特征。可以认为，在所研究的周期蠕变条件下，由于保载时间 长（即频率低），虽然在周期应力作用下有疲劳因素参与作用，但仍可认为是以蠕变为主的 一种变形形式，因此在断口上未曾找到疲劳条纹的痕迹，而且断裂仍然显现以沿晶断裂为主 的混合断裂。不过，随着最小应力σ2值的减小，疲劳作用加强，在混合断裂的断口上有穿 晶断裂部分增多的趋势。 40

押兴洲聆川、 小 只少 图 合金在 “ 一 ， ℃ 周期蠕 变的局部放大 图 御︶兴 。 时 间 土 小时 图 一 合 金在 ， “ 二 “ ， ℃ 周期蠕 变的局部 放大 图 对 合金 在 。 ℃所 作复杂应 力条件 下的蠕变及断裂 研究表明 汇’ ， 由于蠕变 引起 的断裂 主要在 晶界 ， 而疲劳 引起的断裂 主 要在晶 内 。 合金 在 ℃静态蠕变断裂 的断 口 表明 ， 以 沿 晶断裂为主的 混合断裂 ‘ 」。 同样 ， 台金 在不 同周 期蠕变条件下 的断 口 形 貌仍显示 以 沿 晶断裂 为主的特 征 。 可 以认为 ， 在所研究 的周 期蠕变条件下 ， 由于保 载时间 长 即频率低 ， 虽然在周 期应力作用下 有疲劳 因素参 与作用 ， 但 仍可认为是 以蠕变为主的 一种 变形形式 ， 因此 在断 口 上未 曾找到疲 劳条 纹的 痕迹 ， 而且断裂仍然显现 以沿 晶断裂为主 的 混合断裂 。 不过 ， 随着最 小应 力 。 值 的 减小 ， 疲 劳 作用加 强 ， 在混合断裂 的 断 口 上有穿 晶断裂 部分 增多的 趋势

周期蠕变条件下的变形机构是复杂的。近年来Morris【21和Tien[1等人对不锈钢和 高温合金所做的结果表明，316型不锈钢在625℃以方形波的形式做周期蠕变时，其蠕变速率 并不受加载和卸载因素产生很大的影响2]。而Tien等人对MA754高温合金在760℃所作的 周期蠕变条件下的蠕变速率与静态蠕变相比出现减速现象，并显现比较长的蠕变断裂寿命。 但是，在对Udimet700于760℃所作周期蠕变条件下也出现有加速蠕变的现象，而使蠕变 断裂寿命降低，这个因索是直接受频率变化影响【]。他们所做的周期蠕变试验的最小应力 或者是零或只有最大应力的20%以下，因此他们仅计算加载的总保载时间，而不计入小应力 的保载时间，这一点与我们的周期蠕变研究是有所不同的。 我们是在固定频率条件下作周期蠕变而研究最小应力改变的影响，从蠕变曲线上已经看 出最小应力σ2的变化会显著地影响每个周期的变形特点。正象前述分析的那样，在这种条 件下的周期蠕变变形是受平均应力控制，那么周期蠕变曲线上的蠕变速率应该与相当量的平 均应力条件下的静态蠕变速案相等同。这说明在这样的条件下，虽然有周期应力的作用，但 并不受疲芳分量的影响。对比这两种情况，其周期蠕变速率小于静态蠕变速率则表现为交变 应力作用下所出现的强化效应，反之则表现为软化效应。当然，这种推断的正确与否需要有 进一步的实验证明，另外对不同周期蠕变条件下的变形机构也需要进一步的研究。 四、结 论 GH132合金在周期蠕变条件下的变形规律是复杂的，除了弹性应变、塑性应变外，还 有滞弹性应变。这种变形规律的特征随周期应力卸载条件下最小应力的大小而变化。在高的 最小应力条件下可以仅表现为合金以不同的应变速率分别在高、低应力下交替地进行。 参考文献 〔1〕谢锡善、徐志超、许经峰、朱金元：二种铁基和镍基高温合金在复杂应力条件下 的蠕变及断裂（高温合金的力学冶金之一），北京钢铁学院(1983) (2)D.G.Morris,D.R.Harris:Journal of Materials Science,13 (1978) P.985。 (3)G.R.Halford:Metallurgical Transactions,3 (1972)P.2247. 〔4)J.K.Tien,D.E.Matejczyk,Y.Zhuang(庄毅)andT.E.Howson:Proc. Int.Conf.on the Creep and Fracture of Engineering Materials and Structures,Edited by B.Wilshire and D.R.J.Owen (1981)P.433. 〔5)章安庆、孔庆平、师昌绪：金属学报，15卷，第4期，(1979)第518页。 (6)A.C.Chang,Y.K.Bai,Y.T.Xiao,C.P.Kung,C.H.Shih:Proc.4th Int.Symposium on Superalloys,Edited by J.K.Tien et al.Seven Springs,USA,(1980)P.1821. 〔7)冯端等编著：金属物理（下册），科学出版社，(1975)第557页。 41

周 期蠕变条 件 一 的 变形机 构是 复杂的 。 近年来 和 “ “ ‘ 等人 对不 诱钢和 高温 合金所做的 结果 表明 ， 型 不 锈钢 在 ℃ 以 方形波的 形式做周 期蠕变 时 ， 其蠕变速率 并不 受加载和 卸载因素产 生很 大的影 响 〔 “ 】 。 而 等人对 高温 合金 在 ℃所 作的 周 期蠕变条件下 的蠕变速 率与静 态蠕变相 比 出现减速现 象 ， 并显现 比较 长 的 蠕变断裂 寿 命 。 但 是 ， 在对 于 ℃所 作周 期蠕变条件 下 也 出现 有加 速蠕变 的现 象 ， 而使蠕变 断裂 寿命降低 ， 这 个因素是 直接受频 率变 化影 响 路 。 他们所 做 的周 期蠕变试 验 的最 小应力 或者 是零或只 有最大应 力的 以 下 ， 因此他 们仅计算加载的 总保 载 时间 ， 而不计入 小应 力 的 保 载 时间 ， 这 一 点 与我们 的 周 期蠕变 研 究 是有 所 不 同 的 。 我们 是 在 固定频 率条件下 作周 期蠕变 而研究最 小应 力改变 的影 响 ， 从蠕变 曲线 上 已经 看 出最 小应力 的变 化会显著地影 响每 个周 期的变形 特 点 。 正 象前述分析 的 那样 ， 在这 种条 件 下 的 周 期蠕变变形 是受平 均应 力控制 ， 那 么周 期蠕变 曲线 上的 蠕变 速 率应 该 与相 当量 的平 均应 力条件 下 的 静态蠕变 速 率相等 同 。 这 说 明 在这 样 的 条件下 ， 虽 然有周 期应 力的 作用 ， 但 并不受疲劳分 量 的影响 。 对 比这 两种情 况 ， 其周 期蠕变速 率小于静态蠕变速率则 表现 为交变 应 力作用下所 出现 的 强化效应 ， 反 之则表现 为软 化效 应 。 当然 ， 这 种 推断 的 正确 与否需 要有 进一 步的 实验证 明 ， 另外对不 同周 期蠕变条件 下 的 变形机 构也需 要进一 步的 研究 。 四 、 结 论 合金 在周 期蠕变条件下 的变形 规律 是 复杂的 ， 除 了弹性 应变 、 塑性应变外 ， 还 有滞弹性应变 。 这 种 变 形规律 的特 征 随周 期应力卸载条件下最 小应 力的 大小而变 化 。 在高的 最 小应力条件下可 以 仅 表现 为 合金 以 不 同的 应变 速 率分别 在高 、 低 应 力下 交替地进 行 。 参 考 文 献 〔 〕 谢 锡善 、 徐志 超 、 许经 峰 、 朱金元 二种 铁 基和镍 基高 温合金在 复杂应 力条件下 的蠕变 及断裂 高温合金 的力学冶金 之一 ， 北 京钢 铁学院 〔 〕 ， ， 。 〔 〕 ， 。 〔 〕 ， 人 ， 庄毅 ， 。 〔 〕 章安庆 、 孔庆 平 、 师 昌绪 金 属学报 ， 卷 ， 第 期 ， 第 页 。 〔 〕 ， ， ， ， 丁 ， ， 。 〔 〕 冯端等编著 金 属物 理 下册 ， 科 学出版 社 ， 第 页

CYCLIC CREEP STUDY ON AN IRON-BASE SUPERALLOY Xie Xishan,Xu Zhichao,Zhu Jinyuan,Lin Zhengtong Abstract Cyclic creep tests were conducted in an iron-base superalloy GH132 at 650C and constant maximum stress (46kg/mm2)with different minimum stresses(10,23 and 43kg/mm2).Deformation at cyclic creep is complicated. Beside elastic and plastic deformation,an elastic deformation occurs at cyclic creep.Deformation behaviour at cyclic creep depends on stress amplitudes and minimum stresscs. 42

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