弯曲晶界对GH220合金疲劳性能的影响

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1986.s1.009 北京钢铁学院学报 1986年6月 Journal of Beijing University Special issue 专辑1 of Iron and Steel Technology 61,1986,6 弯曲晶界对GH220合金疲劳性能的影响 葛占英叶锐曾孙金贵 王日毅李莉 (高温合金教研宝) (420厂) 摘 要 二类不同热处理的GH?20合金进行了疲劳试验，结果表明，等温处理的合金的疲劳性能高于标准 处理的.详细讨论了这一差别的原因。 关键词应劳极限、弯曲晶界、断裂。 Effect of Zig-Zag Grain Boundary on Fatigue Property of Superalloy GH220 Ge Zhanying Ye Ruizeng Sun Jingui Wang Yueyi Li Li Abstract Fatigue property of alloy GH220 treated by two kinds of heat treatment have been tested.The results show that the fatigue limit of alloy treated by isothermal teat treatment is higher than that treatde by standard heat treatment.The reason of this difference is discussed in detail. Key words:alloying elements;zigzag grain boundary,grain size 前 言 大量发动机故障分析表明1一)，喷气飞机发动机主要部件为涡轮盘、叶片的破坏，主 要由高温下交变应力长期作用（疲劳）所致。 本文对经过两种不同热处理后的GH220合金弯晶、直晶试样作了疲劳性能对比试验， 并进行了表面裂纹、断口及内部组织分析。 69

年 月 望 专 辑 北 京 钢 院 学 报 灿 ， 弯曲晶界对 合金疲劳性能的影响 葛 占英 叶锐曾 孙金贵 王 日 毅 李 莉 高温合 金 教研室 广 摘 要 峭渝碑卜 二类不 同热 处理 的 合 金进行 了疲劳试验 结 果 表明 ， 等温 处理的 合金 的疲劳 性能高子标准 处 理 的 详细 讨论 了 这一差别 的原 因 。 关键词 疲劳极限 、 弯 曲晶 界 ， 断裂 。 一 ” ’ 己 方 ” 孙 ‘ 儿 灯 扭 牙 少 去 了 ， 妙， 妙 比 九 比。 吨 而 氏 夕 名。 五 合 。 “ 丁 五 宜 皿 士 前 言 功， 户 大量发动机故障分析 表 明〔卜 〕 ， 喷 气 飞机发 动机主要部件为 涡轮盘 、 叶 片的破坏 ， 主 要 由高温下 交变应力长 期作 用 疲劳 所致 。 本文对经过两种不 同热处理后 的 合金弯晶 、 直 晶试样作 了疲劳性能对 比试验 ， 并进行 了表面裂纹 、 断 口及 内部组织 分析 。 叨 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．s1．009

1实验内容及方法 1.1试验材料 采用真空感应炉和真空自耗炉双联工艺。合金锭经包套多次轧制成中32mm圆棒.GH220 合金化学成分(wt%)。 C Cr Ni W Mo A1 Ti V Co Mg、B、Ce <0.0810基5.55.54.12.50.315 微量 1.2试样制备 将经过两种热处理制度处理的试棒加工成中4的小疲劳试样。 1)标准热处理1220±10℃/4h/空冷+1050±10℃4h/空冷+950℃/2h/空冷 2)等温热处理：1220℃/h空冷1070℃/2.5h/空冷+950℃/2h/空冷。 1.3疲劳试验： 疲劳试验是在小型高温悬臂弯曲疲劳机上进行。 1.4金相分析： (1)断口分析。 在Neophot一2型光学金相显微镜下观察宏观断口形貌。 在DX一3型扫描电子显微镜下观察微观断口形貌。 (2)表面裂纹分析。 对部分拉断疲劳试样（未去表面氧化皮），在Neophot-一2型光学金相显微镜下观察经 两种不同热处理制度，不同循环应力下断口附近的裂纹分布，然后将试样纵剖，观察纵剖面 边沿的裂纹分布及深度，并进行定量测定（放大300倍，用测微尺测量和统计沿某一母线上 的裂纹条数及裂纹深度)。 (3)金相组织观察。 一部分断裂和未断裂试样纵剖、磨平、抛光浸蚀进行二次碳复型，然后在DXA一10型 电子显微镜下观察两种不同热处理制度的原始组织及疲劳过程中组织变化。 在测量裂纹扩展区宽度时采用的方法：沿着源区找到最大直径，然后从瞬断区开始沿着 直径往下找疲劳条纹，以第一条疲劳条纹为界以上就是瞬断区，以下就是裂纹扩展区宽度。 2实验结果及分析 2.1性能 在750℃，800℃，850℃，900℃，不同温度下每组试样7~8根，作高温疲劳试验， 结果示于图1。 850℃、900℃疲劳实验表明，弯晶处理稍高于直晶处理的高温疲劳性能，疲劳极限提高 约30MPa。750℃，800℃疲劳曲线出现交叉。高温疲劳性能的影响因素很多，分散性较大， 实验试样较少，所以曲线只能提供一种趋势。 70

实验内容及方 法 试验材料 采 用真 空感 应炉和真 空 自耗炉双联工艺 。 合 金化学成分 。 合 金锭经包套 多次轧 制成 小 圆棒 。 、 。 基 。 。 试样 制备 将经过 两种 热处理 制度处理 的试 棒加 工成 小 的小 疲 劳试 样 。 标 准 热处理 士 ℃ 空冷 十 士 ℃ 空 冷 。 ℃ 空 冷 等温 热处理 ℃ 空兰令 ℃ 。 空 冷 、 空航 飞 疲 劳试验 疲 劳试验是在小型 高温 悬 臂 弯 曲疲 劳机 上进行 。 金相分析 断 口 分析 。 在 一 型光 学 金相 显微镜下 观察宏 观断 口 形貌 。 在 一 型 扫描 电子 显微镜下观察微 观断 口 形貌 。 表面裂 纹分析 。 对部分拉 断疲 劳试样 未去 表面氧化皮 ， 在 “ 一 型光 学 金相 显微 镜下观察经 两种不 同热处理制度 ， 不 同循 环应力 下断 口 附近 的裂 纹分布 ， 然后将 试样纵剖 ， 观察纵剖 面 边沿 的裂纹分 布及 深度 ， 并进行定 量测定 放大 倍 ， 用测 微 尺测 量和 统计沿 某一母 线上 的裂纹条数及 裂纹深度 。 金相 组织 观察 。 一部分 断 裂和 未 断 裂 试 样纵剖 、 磨 平 、 抛 光浸 蚀进行 二 次碳 复型 ， 然后 在 一 型 电子 显微镜下观察两种不 同热处理 制度 的原始组织及 疲 劳过程 中组织 变化 。 一 在测 量裂 纹 扩展 区宽度 时采 用 的方法 沿着源 区找 到最大直径 ， 然后从瞬断区开始沿着 直径 往 下找疲 劳条纹 ， 以第一 条疲劳 条纹 为界以上就是 瞬断 区 ， 一 以 下就是裂纹扩展 区宽度 一 。 实 验结果 及分析 性 能 在 ℃ ， ℃ ， ℃ ， ℃ ， 不 同温度 下每组 试 样 一 根 ， 作 高温 疲 劳试验 ， 结果示于 图 。 ℃ 、 ℃ 疲 劳实验 表 明 ， 弯晶处理 稍 高于直 晶处理 的高温 疲 劳性能 ， 疲 劳极限提 高 约 。 ℃ ， ℃ 疲 劳 曲线 出现 交叉 。 高温 疲 劳性 能 的影响 因素 很 多 ， 分散性 较大 ， 实 验 试 样较 少 ， 所 以 曲线 只能 提 供 一种 趋势

空 6 星=900℃ 5.2 1.75 T=000C 96.2 i.75 0.11.70h 5a.1 ,0 4,7.6 9.8 1.60 到.0 35.5 1.55 35.5 1.55 5i.61,5u 6 789 31.6,0 5 789 LgN L8清 1.75 T=850C 56.2 6 T=750c 56,2 .75 0.11.70 刀.1 .70 4.7 ,65 0 44,7 .69 39.8 1.60 39.8 35.5 1,55 35.5hs5 51.611.50 5 6 7 8 9 31.6h.o LEK 7 8 9 LEN 图1弯晶和直船的双对数1gN-1g一线性回归曲袋， Fig.1 Double logarithm curves log a-logN of alloys a一弯晶： b一直品 a-Zigzag G.B b-Straight G.B. 经计算得出以下11个回归方程： 750℃ 1gg=1.953-0.053lgN (1)(弯晶) 1gg=↓.812-0.0381gN (2)(直晶) 00℃ 1go=1.572-0.0171gN (3)(弯晶) 1go=0.680-0,0361gN (4)(直晶) 50℃ 1go=2.250-0.09lgN (5)(弯晶) 1go=2.304-0.10lgN (6)(直晶) 900℃ 1go=2.006-G,057lgN (7)(弯晶) 1gg=1.953-0.053lgN (3)(直晶) 71

乡七 日 异沁 今件 二 二 “ 己 游和必葫加。如 认洲凸﹃‘厂丁， 。 弘 殉几儿伟瓜 ‘ 卜 … 多岁 弋 二 。 多 多 。 成醚 以 、 一一 曰‘ 一 〔 叨 响 李 几尸” 一 凡 州晌 ， 油一 蕊 一 崎 记护 己 毛 八 二 乙乡 。 弓 、 ，。 ，一一扁一 一一 二 乡 ” 吕 毛 图 弯晶和 直 晶的 双 对 数比 一工 叮 一 线 性 回归 曲线 。 一弯 晶 仃 一 一直 晶 一 一 经计 算得出以 一户 个回 归方程 了 ℃ 玩叮 一 。 。 肠 丛 仃 林 ℃ ‘ 九 了 弯晶 直 晶 一 。 二 。 一 。 弯 晶 选 直 晶 抓 ℃ 地仃 。 仃 二 。 一 一 。 」 弯晶 直 晶 ℃ 叮 一 ， 盯 馆 饱仔 二 。 扎 一 。 。 比 对 弯 晶 直 晶 主

由图看出，弯晶处理的疲劳性能较标谁处理的性能略高些。 2.2内部组织 标准处理后，晶界较平直，碳化物主要是颗粒状和长条状M。C,沿晶界析出，晶内存 在很多孪晶。等温处理后晶界弯曲，晶界上析出的大多是长条棒状的M。C碳化物，析出量 较直晶界多，这些碳化物能阻碍位错运动，即弯曲品界对位错运动的阻碍作用要比直晶界大 些。 经等温处理后，基体上分布着两种不同尺寸的Y'相；而标准处理后基体上只分布着一 种Y'相5)。 大小Y'相颗粒既有碍于位错的切割通过，又能阻碍位蜡的绕越运动。特别是小Y'的 出现由于颗粒小而弥散，增加了位错运动的阻力。 在超高压电镜下观察金属薄膜时发现，在小Y'周围缠结一定量的位错，如图2一a、b。 这进一步说明弯晶处理后晶内强度较直晶为高。 经等温处理后无论是在晶界上、李晶 界上还是在晶内，都没有发现针状相 (M。C),但经标准处理后在晶界和李 晶界上都出现针状相(M。C)。众所周 知，M。C本身具有脆性，因此针状相是 裂纹源或裂纹通道，从而降低合金的疲劳 性能。 2.3表面裂纹 从宏观上看，经过标准处理后，试样 表面裂纹较少，大都集中在断口附近。经 等温处理后，试样表面裂纹较多，且分布 较分散，布满整个有效工作区。 高温疲劳裂纹的扩展仍有两个阶 段，第一阶段沿与轴向应力成约45°角方 向扩展，第二阶段与轴向应力垂直方向扩 展如图3。所有疲劳裂纹从开始就是穿 晶扩展，与室温疲劳裂纹扩展规律一 致7)。 图2位错缠结 6 Fig.2 Dislocation Kinks. a,晶界碳化物周：b.小Y·周图 a-Around G.B carbide,40000x: b一Around smal】Y'40000×: 图3疲劳戮纹扩展两个阶段 Fig.3 Two stages of crack propagation during fatigue3o0× 72

由图看 出 ， 弯晶处理 的疲 劳性 能较标准处理 的性能 略高些 。 内部组织 标准处理后 ， 晶界较平直 ， 碳化 物主要是颗粒状和 长 条状 ， 沿 晶界析 出 ， 晶 内存 在很 多李 晶 。 等温 处理后 晶界弯 曲 ， 晶界上析 出的大 多是长 条棒状 的 碳化物 ， 析 出量 较直 晶界多 ， 这 些碳化 物能 阻碍位错运 动 ， 即 弯 曲晶界对位错运动 的阻碍作 用要 比直 晶界大 些 。 经 等温 处理后 ， 基体上分布着两 种不 同尺 寸 的 ‘ 相 而标 准处理后 基体上 只分布着 一 种 丫 产相 〔 〕 。 大小 丫‘ 相颗 粒 既有碍于 位错 的切 割 通过 ， 又 能 阻碍 位错 的绕越运动 。 特别是小 丫 ‘ 的 出现 由于颗 粒小而 弥散 ， 增加 了位错运 动 的阻 力 。 在超 高压 电镜下观察金属 薄膜时发现 ， 在小 这进一步说 明弯 晶处理 后 晶 内强度较直 晶为 高 。 丫 ‘ 周 围缠结一定 量 的位错 ， 如 图 一气 。 经等温 处理后 无论是 在 晶界上 、 孪 晶 界上还是在 晶 内 ， 都 没 有 发 现 针 状 相 但 经 标 准处理后 在 晶界和 孪 晶界上都 出现针 状相 。 众 所 周 知 ， 。 本 身具 有脆性 ， 因此针 状相是 裂纹源或裂 纹 通道 ， 从而降低合 金的疲 劳 性 能 。 表 面裂纹 从宏 观上看 ， 经 过标 准处理 后 ， 试 样 表面 裂纹较 少 ， 大都集 中在断 口 附近 。 经 等温处理后 ， 试样表面 裂纹较 多 ， 且 分 布 较分散 ， 布满整个有效工 作 区 。 高温 疲 劳裂纹 的 扩 展 仍 有 两 个 阶 段 ， 第一 阶段沿 与轴 向应 力 成约 “ 角方 向扩展 ， 第二 阶段与轴 向应 力 垂直 方 向扩 展 如 图 。 所 有疲劳裂 纹从 开 始 就 是 穿 晶扩展 ， 与室 温 疲 劳 裂 纹 扩 展 规 律 一 致〔 〕 。 图 位错缠 结 晶界 碳化物周 围 小 ’ 周 围 一 ， 洲 一 ’ 只 图 疲劳裂 纹扩 展 两 个阶段 玉 及 呈

2.4断口 宏观断口。 标雅处理的疲劳试样断口很清楚，弯晶处理的断口模糊不清，如图4，说明在疲劳过程 中弯晶处理试样发生了较多的塑性变形，弯晶使晶界强度提高，疲劳断裂时，晶内发生了塑 性变形。 弯曲晶界的裂纹扩展区大于直晶界的裂纹扩展区，而沿晶瞬断区则与所相反。弯曲晶界 的裂纹扩展区宽度在440MPa及400MPa,应力分别为1.55mm,2.15mm;而直晶界的裂纹 扩展区在440MPa,400MPa应力分别为0.73mm,1mm。 微观观察。可将断口分为源区、扩展区（包括混合区）、瞬间区。无论是直晶处理，还 是弯晶处理都只有一个疲劳源。 扩展区都是穿晶及解理，观察到一些穿晶裂纹和河流状解理台阶如图5。 混合区，由穿晶和沿晶断口组成。瞬间断裂区，主要是沿晶断裂。 综上所述，经两种不同热处理后，裂纹扩展区的面积不同，弯晶试样扩展区大于直晶试 样扩展区，而瞬断区则相反。弯曲晶界上的碳化物颗粒较大，对位错钉轧作用更强烈，裂纹 2 a.弯晶 b.直晶 a-Zigzag G.B:200x b-Straight G.B.200X 图5台阶及河流花样 Fig.5 Cleavage steps and river pattern. a.弯晶所口 b,直晶断口 a一Zigzag G,B b-Straignt G.B. Fig.4 Macrofracture of fatigue specimens. 图4宏观对口 73

。 断 口 宏 观断 队 标准处理 的疲 劳试样断 口 很清楚 ， 弯 晶处理 的断 口模糊不 清 ， 如 图 ， 说 明在疲 劳过程 中弯晶处理试样发 生 了较多的塑性变形 ， 弯晶使 晶界强度提 高 ， 疲 劳断裂时 ， 晶 内发 生 了塑 性 变形 。 弯 曲晶界的裂纹扩展 区大于 直 晶界 的裂纹扩展 区 ， 而沿 晶瞬断 区则 与所相反 。 弯 曲晶界 的裂纹扩展 区宽度 在 叨 及 ， 应 力分别 为 ， 而直 晶界 的裂纹 扩展区在 ， 应力分 别为 ， 。 微 观观察 。 可 将断 口 分为源 区 、 扩展 区 包括混 合 区 、 瞬 间区 。 无论 是直 晶处理 ， 还 是 弯晶处 理都 只有一个 疲 劳源 。 扩展 区都是穿晶及解理 ， 观察到一 些穿 晶裂纹和 河流状解理 台阶如 图 。 混合 区 ， 由穿晶和 沿 晶断 口组 成 。 瞬 间断裂 区 ， 主要是沿 晶断 裂 。 样扩豁嘿赢盔濡兜德酥繁瓮暮蕊盘豪默异霖霆蓉瓮荞嚣 一 髻蠢熹弃翼 弯 晶 一 图 台阶 及河 流花样 直 晶 一 弯 晶断 口 一 直 晶断 口 一， 图 宏观 对 口

在晶界上形成较困雅，晶界滑移和裂纹扩展更难。高温下孔洞易形成，但连接成裂纹较难。 因此，疲劳裂纹前期扩展一般都是穿晶形式。随疲劳裂纹的不断发展，承受载荷的横截面积 不断减小，应力不断提高，当应力大到某一临界值时，裂纹开始沿着晶界扩展。此时大量位 错缠结在晶界碳化物上，应力高度集中，晶界能量又高，容易形成孔洞和裂纹，有利于裂纹 扩展。疲劳裂纹沿着平直品界扩展时几平不改变方向，因此裂纹很容易沿着晶界扩展，得到 平直的沿晶断口，如图6。 与此相反，弯曲晶界的碳化物颗粒大，能有效地阻碍位错运动。当裂纹沿晶界扩展时，裂纹 扩展方向不断沿着锯齿形晶界发生变化，如图7。当裂纹改变方向时需要有较大的应力才能 沿另一方向继续扩展。等温处理断口的沿晶晶面上有非常明显的韧窝特征，说明当裂纹沿品 界扩展时晶内伴随着塑性变形，使高的应力集中得到部分松驰，使裂纹扩展停止或减速。这 样就有效地阻止裂纹迅速扩展。上述一切均说明，等温处理试样单位面积上能承受比标谁处： 理试样更高的应力。 225172●K0 图6标准处理的疲劳沿晶断口 图7锯齿型裂纹形貌 Fig.6 Intergranular fatigue fracture of Fig.7 Morphology of Zigzag crack 鞭 alloys after standard H.T. 3结 论 (1)等温热处理的合金在850℃，900℃下疲劳极限比标准热处理的合金疲芳极限提高约 30MPa (2)经过两种不同热处理后，合金中疲劳裂纹扩展区宽度不同。等温处理的比标推处理 的宽；在同一热处理制度下，随疲芳应力减小疲劳裂纹扩展区变宽。 (3)弯晶处理后合金的表面裂纹多而分散，直晶处理的合金表面裂纹少而集中。 (4)标准处理后合金分析出M。C针状相，等温处理后合金中没有发现针状相。 参考。文献 〔1)大治钢厂研究所：苏P29一300发动机I级涡轮叶片的解剖断告，1983. 〔2)金属断口分析，图防工业出版社。1979。 〔3〕铜铁研究院、抚预钢厂：GH220合金弯曲晶界的研究.1981.8。 〔4〕北京钢铁学院、420厂，高温合金弯品文集981年， 〔5)北京钢铁学院：GH220合金的基本组织，1981年，内部资料 〔6〕高温疲劳断口分析，金属疲岁断裂研究汇编，1983年，内部资料， 〔7)何￥基：金属的力学性质，治金出版社，1981年， 74

在 晶界上 形成 较 困难 ， 晶界滑 移和 裂纹 扩展 更难 。 高温 下 孔洞易形成 ， 但连接成裂纹较难 。 酗匕 ， 疲 劳裂 纹前 期扩展一般 都是 穿 晶形 式 。 随 疲 劳裂纹 的不 断发展 ， 承受 载荷 的横截面积 不 断 减小 ， 应力 不 断提 高 ， 当应 力 大 到某一 临界值时 ， 裂纹 开始沿着 晶界扩展 。 此时大 量位 错缠结 在 晶界 碳化 物上 ， 应 力 高度集 中 ， 晶界能量又 高 ， 容易形成 孔洞和 裂纹 ， 有利于裂 纹 扩展 。 疲 劳裂 纹沿着 平直 晶界扩展时 几乎 不 改变方 向 ， 因此 裂 纹很 容易沿着 晶界扩展 ， 得到 平直 的沿 晶断 口 ， 如 图 。 与此 相 反 ， 弯 曲晶界的碳 化物颗 粒 大 ， 能有效地 阻碍 位错运 动 。 当裂纹沿 晶界扩展时 ， 裂纹 扩展 方 向不 断沿着 锯齿 形 晶界发 生 变化 ， 如 图 。 当裂纹 改 变方向时 需要有较 大的应力才能 沿 另一方 向继 续扩展 。 等温 处理 断 口 的沿 晶晶面上 有非 常 明显 的韧窝 特征 ， 说 明 当 裂 级猫 品 界扩展时 晶内伴随 着 塑性 变 形 ， 使 高的应 力集 中得 到部分松驰 ， 使裂纹扩展 停 止或减速 。 这 样就 有效地阻 止裂 纹迅 速扩展 。 上述 一切 均说 明 ， 等温处理 试 样单 位面积 上能 承受 比标谁 处 理 试 样更 高的应 力 。 图 标准处理 的疲劳 沿 晶 断 口 结 图 了 锯 齿型裂纹形 貌 只 主 炎 譬 论 等温 热处理 的合 金在 ℃ ， ℃ 下 疲 劳极限 比标谁 热处理 的合 金疲 劳极限提 高约 经过 两种 不 同热处理后 ， 合 金 中疲 劳裂 纹扩展 区宽 度不 同 。 等温处理的比标 准处理 的宽 在 同一 热处理制 度下 ， 随疲 劳应 力 减小 疲 劳裂 纹 扩展区变宽 。 一 ‘ ’ 弯晶处理后 合 金的表面裂纹 多而分散 ， 直 晶处翅的合金表面裂纹少衅 中 · 妇 标准处理后合 金分析 出 。 针 状相 ， 等温 处理后合 金 中没有发现针状相 。 参 考 文 献 大冶钢厂 研究所 苏 一 。 发动机 级 涡 轮叶片的解 剖断 告 ， 名 金 属断 口 分析 ， 国防 工业 出版社 。 ” 。 钢 铁研究 院 、 抚顺钢厂 合 金 弯 曲晶界的 研 究 工 。 北 京钢 铁 学院 、 。 厂 高温合 金 弯 晶文 集 年 。 北京钢 铁学院 幼 合金的 基本组 织 ， 年 ， 内部资料 高温 疲劳断 口 分析 金 属疲劳断裂 研 究汇编 ， 年 ， 内部资料 。 何 肇基 金 属 的 力学性质 ， 冶金 出版社 ， 年 ， 、产夕﹄、护夕、︸产‘ 户‘产卫﹄产沪、 、︸‘ 月产﹄、产