Incoloy 825镍基合金的低周疲劳行为*
陈立佳1, 王靓亮1, 王宝森2
1. 沈阳工业大学 材料科学与工程学院, 沈阳 110870
2. 宝钢股份研究院 焊接与表面技术研究所, 上海 201900

作者简介: 陈立佳(1963-),男,河北乐亭人,教授,博士生导师,主要从事工程结构材料的疲劳与断裂行为等方面的研究.

摘要

为了研究Incoloy 825镍基合金的循环应力响应行为和低周疲劳行为,在室温和760℃下进行外加总应变幅控制下的疲劳实验,确定了合金在不同温度下的应变疲劳参数.利用透射电子显微镜和扫描电子显微镜分析了合金疲劳变形后的位错亚结构与断口形貌.结果表明,室温下合金呈现先循环硬化后循环软化的特征,而在760℃下合金则呈现先循环硬化后循环软化或循环稳定的特征.在不同温度下合金的塑性应变幅、弹性应变幅与断裂时的载荷反向周次之间均呈现单斜率线性关系,并分别服从Coffin-Manson和Basquin公式.在室温和760℃下合金的低周疲劳变形机制主要为平面滑移,且疲劳裂纹均以穿晶方式萌生和扩展.

关键词: Incoloy 825镍基合金; 低周疲劳; 循环应力响应; 疲劳寿命; 位错亚结构; 平面滑移; 疲劳裂纹; 穿晶断裂
中图分类号:TG146 文献标志码:A 文章编号:1000-1646(2017)04-0371-07 doi: 10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.03
Low-cycle fatigue behavior of Incoloy 825 nickel-based alloy
CHEN Li-jia1, WANG Liang-liang1, WANG Bao-sen2
1. School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China
2. Institute for Welding and Surface Technology, Baoshan Iron & Steel Co. Ltd., Research Institute, Shanghai 201900, China
Abstract

In order to investigate the cyclic stress response behavior and low-cycle fatigue behavior of Incoloy 825 nickel-based alloy, the applied total strain amplitude controlled fatigue tests at both room temperature and 760℃ were carried out, and the strain fatigue parameters of the alloy at different temperatures were determined. The dislocation substructures and morphologies of fracture surfaces for the alloy after low-cycle fatigue deformation were analyzed with the transmission electron microscope (TEM) and scanning electron microscope (SEM). The results show that at room temperature, the alloy exhibits the characteristics of cyclic hardening followed by the cyclic softening, while the alloy exhibits the characteristics of cyclic hardening followed by either cyclic softening or cyclic stability at 760℃. The relationship between both plastic and elastic strain amplitudes as well as reversals to failure at different temperatures for the alloy shows a single slope linear behavior, which can be described by the Coffin-Manson and Basquin equations, respectively. At both room temperature and 760℃, the low-cycle fatigue deformation mechanism for the alloy is mainly the planar slip. In addition, the fatigue cracks initiate and propagate in the transgranular mode.

Keyword: Incoloy 825 nickel-based alloy; low-cycle fatigue; cyclic stress response; fatigue life; dislocation substructure; planar slip; fatigue crack; transgranular fracture

Incoloy 825镍基合金是一种Ti稳定化处理的全奥氏体固溶强化型合金, 并添加了Cu和Mo元素.由于具有优异的抗应力腐蚀开裂性能、耐点腐蚀性能、抗疲劳性能和抗氧化性能以及较好的非氧化性热酸性能, 镍基合金被广泛应用于机械、冶金、电力电子、石油化工、仪器仪表、核能与航空航天等领域[1, 2, 3, 4, 5].为确保构件服役的安全性, 人们对镍基合金在高温服役条件下的综合性能尤其是疲劳性能具有较高的要求.关于镍基高温合金低周疲劳断裂特征的研究结果[6, 7, 8]表明, 低周疲劳裂纹源区主要分布于合金的表面和亚表面, 裂纹源区离表面越近, 疲劳裂纹的缺陷尺度越大, 对疲劳寿命的影响就越大.随着温度的升高和保载时间的延长, 疲劳裂纹扩展速率增大.另外, 随着保载时间的延长, 疲劳断裂模式从穿晶-沿晶混合断裂转变为沿晶断裂.关于镍基单晶合金低周疲劳变形行为的研究[9, 10, 11, 12, 13]表明, 在相同外加总应变幅下高温会使合金的疲劳抗力减小, 疲劳寿命缩短; 室温下合金的变形机制以平面滑移为主, 高温下合金的变形机制则以波状滑移为主; 在断口附近可以观察到大量滑移带切过γ 与γ '相, 位错交滑移能够促进疲劳变形, 而滑移带、层错或单根位错切过γ '相则会抑制疲劳变形.此外, Ye等[14]发现, 在较高的外加总应变幅下GH4145/SQ合金呈现先循环硬化后循环软化的特征, 且在晶界附近观察到大量滑移带和多个滑移系, 而在较低外加总应变幅下GH4145/SQ合金则呈现出先循环硬化后循环稳定的特点, 此时可在晶界附近观察到极少的滑移带.Chu等[15]指出, DZ951合金在700℃下的低周疲劳变形过程中呈现持续的循环硬化现象, 这主要是由高密度位错切割γ '相造成的.

本文在室温和760℃下对Incoloy 825镍基合金进行了低周疲劳实验, 分析了该合金的低周疲劳行为.同时对合金疲劳变形区的位错亚结构和疲劳断口形貌进行观察, 以期为Incoloy 825镍基合金在上述两个温度下的抗疲劳失效设计提供必要的理论依据.

1 材料及方法

实验材料为Incoloy 825镍基合金, 其化学成分为:w(C)=0.025%, w(Cr)=23.5%, w(Fe)=21%, w(Mo)=3.5%, w(Cu)=3%, w(Ti)=1.2%, w(Co)=1%, w(Si)=0.5%, w(Al)=0.2%, 余量为Ni.低周疲劳试样的几何尺寸如图1所示(单位:mm), 且试样厚度为12mm.

图1 低周疲劳试样的几何尺寸Fig.1 Geometry of low-cycle fatigue specimen

利用MTS Landmark 370.10型微机控制电液伺服疲劳实验机进行低周疲劳实验.实验环境为实验室静态空气介质, 实验温度为室温和760℃.采用轴向拉-压全反向外加总应变幅控制模式, 选用的应变比为-1, 外加名义总应变幅范围为0.25%~0.8%, 加载波形为三角波, 循环频率为0.5Hz.

利用JEM-2100型透射电子显微镜(TEM)观察疲劳变形区的微观结构.在TEM样品制备过程中利用SYJ-150A型低速金刚石切割机在距离断口表面约1mm处沿与加载轴垂直的方向切取薄片, 且薄片厚度约为0.5mm.将该薄片研磨约至50μ m后, 利用TenuPol-5型双喷减薄仪进行减薄处理, 选用10%HClO4+90%CH3OH(体积分数)混合溶液作为电解液, 双喷电压为22V, 温度控制为-25℃.利用S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)观察疲劳断口形貌.

2 结果与分析
2.1 循环应力响应行为

图2为Incoloy 825镍基合金在室温和760℃下的循环应力响应曲线.由图2a可见, 当外加总应变幅为0.4%~0.8%时, 合金的室温循环应力响应行为呈现出先循环硬化后循环软化的特征.由图2b可见, 当外加总应变幅为0.25%、0.3%和0.4%时, 合金在760℃下同样呈现先循环硬化后循环软化的特征; 而当外加总应变幅为0.5%、0.6%和0.7%时, 合金呈现先循环应变硬化后循环稳定的循环应力响应行为, 直至由于裂纹萌生与扩展导致合金应力快速下降.

图2 Incoloy 825镍基合金的循环应力响应曲线Fig.2 Cyclic stress response curves of Incoloy 825 nickel-based alloy

2.2 低周疲劳寿命行为

图3为Incoloy 825合金在室温和760℃下的总应变幅-疲劳寿命曲线.当外加总应变幅相同时, Incoloy 825合金在室温下呈现出相对较长的低周疲劳寿命, 在760℃下则呈现出相对较短的低周疲劳寿命.由此可见, 高温下Incoloy 825镍基合金的低周疲劳寿命明显缩短.

图3 Incoloy 825镍基合金的总应变幅-疲劳寿命曲线Fig.3 Total stain amplitude versus fatigue life curves of Incoloy 825 nickel-based alloy

对于总应变幅控制的疲劳实验而言, 总应变幅Δ ε t/2是由塑性应变幅Δ ε p/2和弹性应变幅Δ ε e/2构成的.塑性应变幅、弹性应变幅与载荷反向周次之间的关系可分别采用Coffin-Manson和Basquin公式进行描述, 即

Δ ε p/2=ε 'f(2Nf)c (1)

Δ ε e/2= σ'fE(2Nf)b (2)

式中:ε 'f为疲劳延性系数; c为疲劳延性指数; 2Nf为发生疲劳破坏时的载荷反向周次; σ 'f为疲劳强度系数; E为杨氏模量; b为疲劳强度指数.

在总应变幅控制的疲劳加载条件下材料的循环应力-应变行为可以采用指数定律来描述, 即

Δ σ /2=K'ε p/2)n' (3)

式中:Δ σ /2为循环应力幅; K'为循环强度系数; n'为循环应变硬化指数.

图4为Incoloy 825镍基合金在室温和760℃下的应变幅-载荷反向周次曲线.由图4可见, 合金在室温和760℃下的Δ ε p/2与2Nf之间以及Δ ε e/2与2Nf之间均呈单斜率线性关系, 故可分别用式(1)和式(2)进行描述.

图4 Incoloy 825镍基合金的应变幅-载荷反向周次曲线Fig.4 Strain amplitude-reversals to failure curves of Incoloy 825 nickel-based alloy

图5为Incoloy 825镍基合金在室温和760℃下的循环应力-应变曲线.由图5可见, Incoloy 825镍基合金在室温和760℃下的循环应力-应变曲线均呈现单斜率线性关系.显然, Incoloy 825镍基合金在不同温度下的循环应力-应变关系可用式(3)来描述.采用线性回归分析方法对图2~5中的实验数据进行处理, 即可分别确定出Incoloy 825镍基合金在室温和760℃下的具体应变疲劳参数值, 相应结果如表1所示.由表1可见, 当实验温度由室温升高至760℃时, cσ 'fbK'值减小, 而ε 'fn'值则增大.

图5 Incoloy 825镍基合金的循环应力-应变曲线Fig.5 Cyclic stress-strain curves of Incoloy 825 nickel-based alloy

表1 Incoloy 825镍基合金的应变疲劳参数 Tab.1 Strain fatigue parameters of Incoloy 825 nickel-based alloy
2.3 低周疲劳区微观结构观察与分析

图6为Incoloy 825镍基合金在室温下低周疲劳变形后的位错组态.由图6a可见, 当外加总应变幅为0.4%时, 合金内部的位错分布较为均匀, 且大多以单根弯曲位错线的形式存在, 同时并未观察到明显的位错缠结, 因而证实在低周疲劳变形后期合金发生了循环软化.由图6b可见, 当外加总应变幅为0.6%时, 可以观察到合金内部存在高密度位错区, 且部分区域产生了位错缠结, 从而对可动位错产生了阻碍作用, 因而在低周疲劳变形初期合金发生了循环硬化.由图6c可见, 当外加总应变幅为0.8%时, 可以观察到合金内部的位错分布较为均匀, 且可以在晶界附近观察到大量平行滑移带, 合金呈现出典型平面滑移特征, 表明在室温下当外加总应变幅为0.8%时, 合金的疲劳变形机制为平面滑移.

图6 Incoloy 825镍基合金室温低周疲劳变形后的位错组态Fig.6 Dislocation configurations in Incoloy 825 nickel-based alloy after low-cycle fatigue deformation at room temperature

图7为Incoloy 825镍基合金在760℃下低周疲劳变形后的位错组态.由图7a可见, 当外加总应变幅为0.25%时, 合金内部位错分布较为密集, 位错密度较高, 位错与位错之间产生了强烈的交互作用并产生了位错交割, 从而对可动位错产生了阻碍作用, 因此, 在低周疲劳变形初期合金发生了循环硬化.由图7b可见, 当外加总应变幅为0.3%时, 合金内部存在弯曲的位错线, 位错交叉且密集分布, 位错密度较大, 位错与位错之间产生交互作用并形成了位错交割, 增大了位错的运动阻力, 因而合金在疲劳变形初期发生了循环硬化.由图7c可见, 当外加总应变幅为0.4%时, 合金内部存在位错塞积群, 位错运动受到阻碍作用, 因而合金在疲劳变形初期同样发生了循环硬化.不过, 合金大部分区域中位错分布得较为均匀, 位错密度与外加总应变幅为0.3%时的情况相比相对较低, 且大部分位错形态较为平直, 位错之间并未发生相互缠结.另外, 位错重构导致位错组态较为简单, 因此, 当外加总应变幅为0.4%时, 合金可在疲劳变形后期发生循环软化.由图7d可见, 当外加总应变幅为0.5%时, 位错较为平直, 但是位错分布较为密集, 位错密度较高, 且位错与位错之间产生了较为强烈的交互作用并形成了位错交割, 故合金在疲劳变形初期发生了循环硬化.此外, 当外加总应变幅为0.5%时, 也可以在合金内部观察到由高密度位错为边界而构成的胞状亚结构(见图7e), 这有利于合金在疲劳变形初期发生循环硬化.由图7f可见, 当外加总应变幅为0.7%时, 合金内部存在孪晶界, 同时在孪晶内部可以观察到胞状亚结构, 且位错并未越过孪晶界, 故孪晶界对位错运动产生阻碍作用, 因而合金在疲劳变形初期发生了循环硬化.

图7 Incoloy 825镍基合金在760℃下低周疲劳变形后的位错组态Fig.7 Dislocation configurations in Incoloy 825 nickel-based alloy after low-cycle fatigue deformation at 760℃

如前所述, Incoloy 825镍基合金在室温下呈现出先循环硬化后循环软化的循环应力响应行为, 而在760℃的温度条件下当外加总应变幅分别为0.25%、0.3%和0.4%时, Incoloy 825镍基合金呈现出先循环硬化后循环软化的循环应力响应行为, 而当外加总应变幅分别为0.5%、0.6%和0.7%时, Incoloy 825镍基合金则呈现出先循环硬化后循环稳定的循环应力响应行为.究其原因可知, 循环硬化主要由位错与位错之间、位错与晶界或孪晶界之间的交互作用造成的, 而循环软化则主要与疲劳变形过程中的位错重构有关.实际上, 低周疲劳形变过程是循环硬化因素与循环软化因素同时存在又不断相互竞争的过程, 当循环硬化效应与循环软化效应相互抵消时, 合金在低周疲劳变形期间的循环应力幅基本保持稳定不变, 即呈现出稳定的循环应力响应行为.

2.4 低周疲劳断口形貌观察与分析

图8为Incoloy 825镍基合金在疲劳源区的SEM图像.由图8可见, 在不同温度和不同外加总应变幅下疲劳裂纹均以穿晶方式萌生于试样的自由表面, 且在裂纹源区呈现出较为明显的放射状纹理.

图8 Incoloy 825镍基合金在疲劳源区的SEM图像Fig.8 SEM images of fatigue crack initiation sites for Incoloy 825 nickel-based alloy

图9为Incoloy 825镍基合金在不同温度和不同外加总应变幅下疲劳扩展区的SEM图像.由图9a、b可见, 在室温下当外加总应变幅为0.4%和0.8%时, 疲劳裂纹扩展区较为平整, 并存在较为清晰的疲劳条带, 表明疲劳裂纹以穿晶方式进行扩展.由图9c、d可见, 在760℃下当外加总应变幅分别为0.25%和0.7%时, 疲劳裂纹扩展区存在较为清晰的疲劳条带, 表明疲劳裂纹亦是以穿晶方式进行扩展的.综上所述, 在室温和760℃下尽管外加总应变幅不同, 但合金的疲劳裂纹均是以穿晶方式进行扩展的, 且当外加总应变幅较低时, 疲劳条带间距较窄, 而当外加总应变幅较高时, 疲劳条带间距则较宽.

图9 Incoloy 825镍基合金在疲劳裂纹扩展区的SEM图像Fig.9 SEM images of fatigue crack propagation regions for Incoloy 825 nickel-based alloy

3 结 论

通过以上实验分析可以得到如下结论:

1) 当在室温下进行低周疲劳变形时, Incoloy825镍基合金呈现先循环硬化后循环软化的特点; 在760℃下进行疲劳变形时合金则呈现先循环硬化后循环软化或循环稳定的特征.

2) 在室温和760℃下Incoloy 825镍基合金的塑性应变幅、弹性应变幅与断裂时的载荷反向周次之间均呈现出单斜率线性关系, 并分别服从Coffin-Manson和Basquin公式, 而其塑性应变幅与循环应力幅之间亦呈单斜率线性关系, 并可用指数定律进行描述.

3) 室温下Incoloy 825镍基合金疲劳变形区的位错分布较为均匀, 且位错密度较低, 部分区域形成位错缠结, 且在晶界附近存在平行滑移带, 呈现平面滑移特征; 而760℃下Incoloy 825镍基合金疲劳变形区的位错密度较高, 并可形成胞状亚结构, 且孪晶界可对位错运动造成阻碍作用.

4) 室温和760℃下Incoloy 825镍基合金的低周疲劳裂纹均以穿晶方式萌生于疲劳试样的自由表面, 并均以穿晶方式进行扩展.

The authors have declared that no competing interests exist.

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