GH4698镍基合金高温低周疲劳行为及断裂机理

摘要

GH4698镍基高温合金在高温时具有良好的高温强度、优异的抗氧化和出色的抗腐蚀性能等，是航空发动机涡轮盘等高温部件的关键材料。航空发动机在实际服役过程中，极易发生高温低周疲劳损伤。因此，研究其高温低周疲劳性能具有关键性意义。截至目前，研究GH4698合金高温低周疲劳性能的报道较少，尤其关于微观组织对其低周疲劳性能的影响未见报道。研究微观组织对GH4698合金低周疲劳性能的影响对于该合金实际服役具有重要的指导意义。
　　本文采取两种热处理制度，制度1为1050℃/8h,空冷+1000℃/4h,空冷+775℃/16h,空冷+700℃/16h,空冷；制度2为1100℃/8h,空冷+1000℃/4h,空冷+775℃/16h,空冷+700℃/16h,空冷。通过热处理过程中γ′相的溶解与析出规律分析热处理过程中晶粒长大的原因。利用MTS810疲劳试验机在650℃C对GH4698合金进行总应变幅控制的低周疲劳实验，研究微观组织和应变幅对其低周疲劳性能的影响。
　　通过分析循环应力响应曲线和疲劳滞后回线研究了GH4698合金高温低周疲劳过程中的循环变形行为。结果表明：合金的峰值应力、疲劳寿命、循环硬化及软化行为与总应变幅紧密相关。在同一应变幅下，热处理制度1处理的合金（记为合金A）吸收的不可逆变形功及疲劳寿命高于热处理制度2（记为合金B）的，表明合金A的循环韧性和低周疲劳性能更优。本文考虑疲劳极限和晶粒尺寸，建立了一种新型的疲劳寿命预测模型。考虑晶粒尺寸影响的疲劳寿命模型的预测精度高于Ostergren能量法寿命模型和Manson-Coffin寿命模型，具有普遍的适用性。
　　为了研究低周疲劳后GH4698合金微观组织的演化机制，对金相组织与γ′相进行了分析。由于晶界和孪晶界钉扎位错，所以这两者容易成为疲劳裂纹的萌生位置。在同一应变幅下，合金A中被位错剪切的γ′相数量低于合金B的，并且合金A的γ′相尺寸小于合金B的，这表明合金A具有更优的疲劳性能。合金低周疲劳微观组织演化机制如下：随着总应变幅增加，合金吸收的变形能增加使得晶体内部存储能量增加，外加位错密度增加导致γ′相被大量剪切使其减弱对晶界的钉扎作用，这些因素导致合金低周疲劳后晶粒长大。
　　为了研究GH4698合金的低周疲劳断裂机理，观察并分析了低周疲劳后的滑移带、位错组态和断口形貌。断口分析表明合金在低应变幅时以脆性断裂为主，高应变幅时以韧性断裂为主。微观结构分析表明合金低周疲劳变形存在平面变形和非平面变形两种机制。随着总应变幅增加，位错的密度显著增加，位错严重剪切γ′相使得γ′相对基体强化作用迅速下降。此外，位错在晶界或者孪晶界处塞积，产生的应力集中导致其开裂，随后微裂纹长大并扩展，最终导致合金疲劳断裂。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 镍基合金高温低周疲劳行为

1.3 镍基合金高温低周疲劳损伤与断裂机制

1.4 本文的研究目的及主要研究内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1实验材料

2.2 高温低周疲劳实验方法

2.3 材料组织结构分析方法

第3章 GH4698合金高温低周疲劳力学行为

3.1 引言

3.2 循环变形行为

3.3 高温低周疲劳寿命

3.4 应变-寿命模型

3.5 本章小结

第4章 GH4698合金高温低周疲劳微观组织演化

4.1 引言

4.2 高温低周疲劳金相组织演化

4.3 高温低周疲劳析出相演化

4.4 高温低周疲劳微观组织演化机制

4.5 本章小结

第5章 GH4698合金高温低周疲劳断裂机理

5.1 引言

5.2 高温低周疲劳变形机制

5.3 高温低周疲劳断口形貌

5.4 GH4698合金高温低周疲劳断裂机制

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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