·826· 工程科学学报，第40卷，第7期 比沿品二次裂纹增多，同时断口粗糙度略有增大 破碎并引发晶界开裂，).第二种为动态脆化机制 放大后可以看到断口上存在很多小二次裂纹以及一 (DE),即氧通过扩散偏聚于裂纹尖端附近的晶界 些较深的大二次裂纹，如图4(d)所示.图4(e)是距 处，降低晶界结合力并在外载荷作用下使晶界脱粘， 离裂纹源5700μm处的断口形貌，可以看出不仅存 从而导致晶界开裂).这两种机制共同导致晶界 在大量的二次裂纹，而且出现了很深的沟壑，断口粗 弱化及开裂，从而解释了主裂纹及二次裂纹均基本 糙度明显增大：同时在图片的中间可以看到较为光 为沿晶形式的原因. 滑的断面，如白色箭头所示，实际是由很多微小孔洞 随着主裂纹的继续扩展，在疲劳载荷作用下，试 聚集而成的层状撕裂.图4()是裂纹瞬断区的形 样未断裂区域内的一些硬质相（如NbC相和8相 貌，可以看到断口上分布有大量的孔洞，包括一些由 等)与周围基体的界面处逐渐萌生微孔洞.当主裂 尺寸为10μm左右的NbC相形成的大孔洞，以及周 纹扩展至此处时，这些微孔洞在短时间内相互连接 围大量的小孔洞组成的韧窝组织 形成层状撕裂5-6)，如图4(e)所示.当试样未断裂 对于图4(a)中主裂纹从一开始就以沿晶方式 区域过小使得局部应力超过抗拉强度时，试样迅速 萌生并扩展的现象，一方面金属在高温下的力学参 断裂形成瞬断区，如图4()所示. 数通常会下降，而品界在高温下的弱化一般比晶内 为了深入研究GH4169合金的裂纹扩展行为， 严重：另一方面氧使得缺口根部周围的晶界在高温 于是对二次裂纹的扩展方式也进行了分析.将试样 下被严重弱化，从而导致裂纹在疲劳载荷作用下更 从1/2厚度处剖开，经磨抛后对主裂纹周围区域进 容易从晶界处萌生并沿晶界扩展.相关研究表明， 行观察，选取的3个观察位置如图1(c)所示，观察 GH4169合金在室温下的疲劳裂纹多以穿晶形式扩 结果如图5所示.从图5(a)可以看出裂纹源附近 展，而在650℃及更高温度下多以沿晶形式扩展，同 的二次裂纹数量很少，这与图4(a)和4(b)中的观 时在真空下以穿晶扩展为主，这与高温下氧对晶界 察结果一致.随主裂纹的扩展，二次裂纹数量逐渐 的弱化作用密切相关1].目前认为氧致沿晶断 增多，长度也有所增加，如图5(b)中的箭头所示，这 裂的机制主要有两种：第一种为应力诱导晶界氧化 与图4(c)和4(d)的结果一致.当主裂纹扩展到一 机制(SAGBO),即在高温下氧扩散至晶界处发生氧 定长度后，不仅能够观察到一些小二次裂纹，而且还 化反应并形成脆性氧化产物，在应力的作用下发生 存在较长的二次裂纹，如图5(c)所示.这条二次裂 a b 10m 10m 10μm C3 um 图5GH4169合金剖面不同区域的扫描电镜照片.(a)裂纹源：(b)距裂纹源1000μm处：(c)距裂纹源5700μm处：(d)浸蚀后观察二 次裂纹的扩展路径 Fig.5 SEM photographs of the central sectioned surface in different regions of GH4169 superalloy:(a)crack initiation region;(b)1000 pm to the initiation site:(c)5700 um to the initiation site;(d)observation of secondary crack propagation path after etching工程科学学报,第 40 卷,第 7 期 比沿晶二次裂纹增多,同时断口粗糙度略有增大. 放大后可以看到断口上存在很多小二次裂纹以及一 些较深的大二次裂纹,如图4(d)所示. 图4(e)是距 离裂纹源 5700 滋m 处的断口形貌,可以看出不仅存 在大量的二次裂纹,而且出现了很深的沟壑,断口粗 糙度明显增大;同时在图片的中间可以看到较为光 滑的断面,如白色箭头所示,实际是由很多微小孔洞 聚集而成的层状撕裂. 图 4 ( f) 是裂纹瞬断区的形 貌,可以看到断口上分布有大量的孔洞,包括一些由 尺寸为 10 滋m 左右的 NbC 相形成的大孔洞,以及周 围大量的小孔洞组成的韧窝组织. 图 5 GH4169 合金剖面不同区域的扫描电镜照片 郾 (a) 裂纹源; (b) 距裂纹源1000 滋m 处; (c) 距裂纹源5700 滋m 处; (d) 浸蚀后观察二 次裂纹的扩展路径 Fig. 5 SEM photographs of the central sectioned surface in different regions of GH4169 superalloy:(a) crack initiation region; (b) 1000 滋m to the initiation site; (c) 5700 滋m to the initiation site; (d) observation of secondary crack propagation path after etching 对于图 4(a)中主裂纹从一开始就以沿晶方式 萌生并扩展的现象,一方面金属在高温下的力学参 数通常会下降,而晶界在高温下的弱化一般比晶内 严重;另一方面氧使得缺口根部周围的晶界在高温 下被严重弱化,从而导致裂纹在疲劳载荷作用下更 容易从晶界处萌生并沿晶界扩展. 相关研究表明, GH4169 合金在室温下的疲劳裂纹多以穿晶形式扩 展,而在 650 益及更高温度下多以沿晶形式扩展,同 时在真空下以穿晶扩展为主,这与高温下氧对晶界 的弱化作用密切相关[11鄄鄄12] . 目前认为氧致沿晶断 裂的机制主要有两种:第一种为应力诱导晶界氧化 机制(SAGBO),即在高温下氧扩散至晶界处发生氧 化反应并形成脆性氧化产物,在应力的作用下发生 破碎并引发晶界开裂[9,13] . 第二种为动态脆化机制 (DE),即氧通过扩散偏聚于裂纹尖端附近的晶界 处,降低晶界结合力并在外载荷作用下使晶界脱粘, 从而导致晶界开裂[14] . 这两种机制共同导致晶界 弱化及开裂,从而解释了主裂纹及二次裂纹均基本 为沿晶形式的原因. 随着主裂纹的继续扩展,在疲劳载荷作用下,试 样未断裂区域内的一些硬质相(如 NbC 相和 啄 相 等)与周围基体的界面处逐渐萌生微孔洞. 当主裂 纹扩展至此处时,这些微孔洞在短时间内相互连接 形成层状撕裂[15鄄鄄16] ,如图 4(e)所示. 当试样未断裂 区域过小使得局部应力超过抗拉强度时,试样迅速 断裂形成瞬断区,如图 4(f)所示. 为了深入研究 GH4169 合金的裂纹扩展行为, 于是对二次裂纹的扩展方式也进行了分析. 将试样 从 1 / 2 厚度处剖开,经磨抛后对主裂纹周围区域进 行观察,选取的 3 个观察位置如图 1(c)所示,观察 结果如图 5 所示. 从图 5( a)可以看出裂纹源附近 的二次裂纹数量很少,这与图 4(a)和 4(b)中的观 察结果一致. 随主裂纹的扩展,二次裂纹数量逐渐 增多,长度也有所增加,如图 5(b)中的箭头所示,这 与图 4(c)和 4(d)的结果一致. 当主裂纹扩展到一 定长度后,不仅能够观察到一些小二次裂纹,而且还 存在较长的二次裂纹,如图 5(c)所示. 这条二次裂 ·826·