第12期 姚志浩等：GH864合金组织特征对裂纹扩展速率的影响 ·1507· 说明晶粒粗大对裂纹扩展的有利影响，而混晶则也 (2)GH864合金项链状组织抗裂纹扩展能力 有较好的抗裂纹扩展能力 及冲击韧性介于大晶粒及细小晶粒之间，其裂纹扩 丽毕有期百萌生期 展期较长.晶粒尺寸越大，抵抗裂纹扩展能力越强， 反之则较弱.合金室温冲击韧性则随着晶粒尺寸的 增加逐渐降低. ☑☑☑扩袋期田瞬断期 (3)GH864合金中项链状组织具有较优异的 抗裂纹扩展能力和冲击韧性，可以通过一定形变热 处理工艺将合金组织设计为项链状组织以保证合金 较好的强韧性匹配 参考文献 20 40 60 80 100 [1]Whelchel R L,Kelekanjeri VS K G,Gerhardt R A,et al.Effect 不同阶段所占比重% of aging treatment on the microstructure and resistivity of a nickel- 图10不同组织裂纹扩展过程各个阶段比率 base superalloy.Metall Mater Trans A,2011,42(5):1362 Fig.10 Different periods during crack propagation 2] Chang K M,Liu X B.Effect of y'content on the mechanical be- havior of the WASPALOY alloy system.Mater Sci Eng A,2001, 含有较大晶粒的合金具有较好的高温抗裂纹扩 308(1/2):1 展能力-10.由于在650℃高温裂纹扩展且保载90s B] Semiatin S L,Fagin P N,Glavicic M G,et al.Deformation be- 的实验条件下，合金处于扩散蠕变阶段，GH864合 havior of Waspaloy at hot-working temperatures.Scripta Mater, 2004,50(5):625 金在此温度下的蠕变机制为Nabarro-一Harring蠕变 [4 Yao Z H,Dong J X,Zhang M C,et al.Relationship between mi- 和Coble蠕变形式交互作用，即可用统一的扩散蠕 crostructures and properties for GH864 superalloy.Rare Met Mater 变方程来表示其蠕变速率☒]： Eng,2010,39(9）:1565 Dygn Dgons (姚志浩，董建新，张麦仓，等.GH864合金显微组织与力学 8=EN+8C- dkT nd kT 性能的关联性.稀有金属材料与工程，2010,39(9)：1565) Dyon( [5] Penkalla H J,Wosik J,Czyrska-Filemonowicz A.Quantitative mi- 7(1+m8 (3) Dy crostructural characterisation of Ni-base superalloys.Mater Chem Phy3,2003,81(2/3):417 式中，D为晶内自扩散系数，D。为晶界扩散系数，σ [6] Yao Z H,Hong C M,Dong J X,et al.Failure analysis of gas tur- 为应力，d为晶粒尺寸，k为波尔兹曼常数，T为温 bine rotor blades.Failure Anal Prot,2008,3(4):23 度，2为原子体积，δ为晶界厚度.由式(3)可见，在 (姚志浩，洪成森，董建新，等。烟气轮机动叶片断裂原因分 晶界基本一致的的情况下，合金的晶粒尺寸越大，合 析.失效分析与预防，2008,3(4)：23) 金抗蠕变疲劳性能越好.小晶粒组织的晶界面多， ] Liu X B,Kang B,Chang K M.The effect of hold-time on fatigue 热强性较低，塑性较好；大晶粒区域热强性较好，塑 crack growth behaviors of Waspaloy alloy at elevated temperature. Mater Sci Eng A,2003,340 (1/2)8 性较低. [8]Sadananda K,Vasudevan A K.Analysis of high temperature fa- 在疲劳裂纹扩展断裂过程中，平直晶界对滑移 tigue crack growth behavior.Int J Fatigue,1997,19 (Suppl 1): 和裂纹的扩展有利，而晶界弯折处对裂纹的扩展有 S183 阻碍作用.因而，获得弯折状甚至锯齿状晶界，使晶 9] Mao J,Chang K M,Yang W H,et al.Cooling precipitation and 界滑移和裂纹扩展受阻，可以延长断裂寿命.项链 strengthening study in powder metallurgy superalloy Rene88DT. 状组织拥有更多的弯折晶界，从而表现出优良的抗 Mater Sci Eng A,2002,332(112):318 [10]Osinkolu G A,Onofrio G,Marchinni M.Fatigue crack growth in 裂纹扩展能力. polyerystalline IN 718 superalloy.Mater Sci Eng A,2003,356 (1/2):425 4结论 [11]Liu X B,Xu J,Barbero E,et al.Effect of thermal treatment on (1)GH864合金初始轧态晶粒组织对之后标 the fatigue crack propagation behavior of a new Ni-base superal- 准热处理后的晶粒长大行为影响较大：初始轧制态 loy.Mater Sci Eng A,2008,474(1/2)30 02] 均匀粗细晶粒组织经标准热处理后长大程度具有一 Yang W Y,Qiang W J.Mechanical Behatior of Materials.Bei- jing:Chemical Industry Press,2009 致性.然而，虽然初始晶粒组织有差异，但是经热处 (杨王玥，强文江.材料力学行为.北京：化学工业出版社， 理后合金的晶界碳化物及基体y强化相基本一致. 2009)第 12 期 姚志浩等: GH864 合金组织特征对裂纹扩展速率的影响 说明晶粒粗大对裂纹扩展的有利影响，而混晶则也 有较好的抗裂纹扩展能力． 图 10 不同组织裂纹扩展过程各个阶段比率 Fig． 10 Different periods during crack propagation 含有较大晶粒的合金具有较好的高温抗裂纹扩 展能力［8--11］． 由于在 650 ℃高温裂纹扩展且保载 90 s 的实验条件下，合金处于扩散蠕变阶段，GH864 合 金在此温度下的蠕变机制为 Nabarro--Harring 蠕变 和 Coble 蠕变形式交互作用，即可用统一的扩散蠕 变方程来表示其蠕变速率［12］: ε · = ε · N-H + ε · C = DVσΩ d2 kT + DBσΩδ πd3 kT = DVσΩ kTd2 ( 1 + πδ DB dD ) V ( 3) 式中，DV 为晶内自扩散系数，DB 为晶界扩散系数，σ 为应力，d 为晶粒尺寸，k 为波尔兹曼常数，T 为温 度，Ω 为原子体积，δ 为晶界厚度． 由式( 3) 可见，在 晶界基本一致的的情况下，合金的晶粒尺寸越大，合 金抗蠕变疲劳性能越好． 小晶粒组织的晶界面多， 热强性较低，塑性较好; 大晶粒区域热强性较好，塑 性较低． 在疲劳裂纹扩展断裂过程中，平直晶界对滑移 和裂纹的扩展有利，而晶界弯折处对裂纹的扩展有 阻碍作用． 因而，获得弯折状甚至锯齿状晶界，使晶 界滑移和裂纹扩展受阻，可以延长断裂寿命． 项链 状组织拥有更多的弯折晶界，从而表现出优良的抗 裂纹扩展能力． 4 结论 ( 1) GH864 合金初始轧态晶粒组织对之后标 准热处理后的晶粒长大行为影响较大; 初始轧制态 均匀粗细晶粒组织经标准热处理后长大程度具有一 致性． 然而，虽然初始晶粒组织有差异，但是经热处 理后合金的晶界碳化物及基体 γ'强化相基本一致． ( 2) GH864 合金项链状组织抗裂纹扩展能力 及冲击韧性介于大晶粒及细小晶粒之间，其裂纹扩 展期较长． 晶粒尺寸越大，抵抗裂纹扩展能力越强， 反之则较弱． 合金室温冲击韧性则随着晶粒尺寸的 增加逐渐降低． ( 3) GH864 合金中项链状组织具有较优异的 抗裂纹扩展能力和冲击韧性，可以通过一定形变热 处理工艺将合金组织设计为项链状组织以保证合金 较好的强韧性匹配． 参 考 文 献 ［1］ Whelchel R L，Kelekanjeri V S K G，Gerhardt R A，et al． Effect of aging treatment on the microstructure and resistivity of a nickel￾base superalloy． Metall Mater Trans A，2011，42( 5) : 1362 ［2］ Chang K M，Liu X B． Effect of γ' content on the mechanical be￾havior of the WASPALOY alloy system． Mater Sci Eng A，2001， 308( 1 /2) : 1 ［3］ Semiatin S L，Fagin P N，Glavicic M G，et al． Deformation be￾havior of Waspaloy at hot-working temperatures． Scripta Mater， 2004，50( 5) : 625 ［4］ Yao Z H，Dong J X，Zhang M C，et al． Relationship between mi￾crostructures and properties for GH864 superalloy． Rare Met Mater Eng，2010，39( 9) : 1565 ( 姚志浩，董建新，张麦仓，等． GH864 合金显微组织与力学 性能的关联性． 稀有金属材料与工程，2010，39( 9) : 1565) ［5］ Penkalla H J，Wosik J，Czyrska-Filemonowicz A． Quantitative mi￾crostructural characterisation of Ni-base superalloys． Mater Chem Phys，2003，81( 2 /3) : 417 ［6］ Yao Z H，Hong C M，Dong J X，et al． Failure analysis of gas tur￾bine rotor blades． Failure Anal Prot，2008，3( 4) : 23 ( 姚志浩，洪成淼，董建新，等． 烟气轮机动叶片断裂原因分 析． 失效分析与预防，2008，3( 4) : 23) ［7］ Liu X B，Kang B，Chang K M． The effect of hold-time on fatigue crack growth behaviors of Waspaloy alloy at elevated temperature． Mater Sci Eng A，2003，340( 1 /2) : 8 ［8］ Sadananda K，Vasudevan A K． Analysis of high temperature fa￾tigue crack growth behavior． Int J Fatigue，1997，19( Suppl 1) : S183 ［9］ Mao J，Chang K M，Yang W H，et al． Cooling precipitation and strengthening study in powder metallurgy superalloy Rene88DT． Mater Sci Eng A，2002，332( 1 /2) : 318 ［10］ Osinkolu G A，Onofrio G，Marchinni M． Fatigue crack growth in polycrystalline IN 718 superalloy． Mater Sci Eng A，2003，356 ( 1 /2) : 425 ［11］ Liu X B，Xu J，Barbero E，et al． Effect of thermal treatment on the fatigue crack propagation behavior of a new Ni-base superal￾loy． Mater Sci Eng A，2008，474( 1 /2) : 30 ［12］ Yang W Y，Qiang W J． Mechanical Behavior of Materials． Bei￾jing: Chemical Industry Press，2009 ( 杨王玥，强文江． 材料力学行为． 北京: 化学工业出版社， 2009) ·1507·