表1 Inconel 625合金的化学成分(w)
Tab.1 Chemical composition of Inconel 625 alloy(w) %
王媛媛1，陈立佳1，王宝森2，张思倩1
(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)
摘 要：为了对Inconel 625合金构件的抗疲劳设计提供可靠的理论依据，在室温下对Inconel 625合金进行了轴向总应变幅控制的低周疲劳实验，分析了室温下合金的应变疲劳寿命和循环应力-应变数据，进而给出了合金的应变疲劳参数.采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对Inconel 625合金试样进行了断口形貌分析和微观组织观察.结果表明，Inconel 625合金在室温下的弹性应变幅和塑性应变幅与载荷反向周次的关系可分别用Basquin和Coffin-Manson公式来描述.在室温疲劳变形过程中，Inconel 625合金会发生循环硬化和循环软化.合金的低周疲劳裂纹以穿晶方式萌生于疲劳试样的自由表面，并以穿晶方式扩展.
关 键 词：Inconel 625合金；室温；低周疲劳；疲劳寿命；位错；孪晶界；循环应力响应；失效形式
由于在650～1 000℃范围内具有较高的强度与良好的抗氧化能力[1]，镍基高温合金不仅可以用于制造航空发动机和火箭发动机，而且在能源领域的应用也十分广泛[2-4].我国的高温合金发展经历了起始阶段、提高阶段和新发展阶段[5].
Inconel 625合金是以Mo、Nb为主要强化元素，在650℃以下具有高强度、高韧性与良好的抗氧化和抗腐蚀性的固溶强化镍基变形合金[6-7].Inconel 625合金在高温下能够在较短时间内完成变形，从而获得满足使用要求的管坯[8].由于在柱状晶粒周围聚集的共晶体具有熔点低、强度低和脆性大的缺点，因此，Inconel 625合金在焊接时极易形成热裂纹[9].同时，Inconel 625合金以奥氏体组织为基体，该合金具有非常复杂的相组成.在Inconel 625合金中，除了基体γ相以外，在不同条件下存在于合金中的第二相主要包括γ″-Ni3Nb相、γ′-Ni3(Al，Ti，Nb)相与平衡δ相.其中，Inconel 625合金中的主要强化相为γ″相；由于δ相与基体具有非共格关系，因而能够起到一定的弥散强化作用[10].由于具有良好的组织稳定性与可靠的使用性能，Inconel 625合金已经广泛应用于航空、航天、石油、化工和舰船等领域.在较高应力的作用下，Inconel 625合金构件的局部区域会在服役过程中产生塑性变形，导致Inconel 625合金的使用寿命受到了不利影响[11-13].因此，针对Inconel 625合金的稳定性能与低周疲劳性能的研究受到了越来越多的关注.
本文主要研究了Inconel 625合金的室温低周疲劳性能，对Inconel 625合金的循环应力响应行为、应变幅-载荷反向周次关系与循环应力-应变关系进行了分析，以期为该类合金构件的抗疲劳设计提供可靠的理论依据.
Inconel 625合金的化学成分如表1所示.在低周疲劳实验中，所采用的疲劳试样的几何尺寸如图 1所示(单位：mm).
表1 Inconel 625合金的化学成分(w)
Tab.1 Chemical composition of Inconel 625 alloy(w) %
图1 疲劳试样的几何尺寸
Fig.1 Geometry of fatigue specimen
利用SiC砂纸对疲劳试样表面进行仔细的研磨，从而有效去除Inconel 625合金表面因加工缺陷而产生的划痕.利用MTS-674型疲劳实验机进行低周疲劳实验.在低周疲劳实验中，采用了轴向拉-压全反向总应变幅控制模式；名义总应变幅范围介于0.4%～1.2%之间；应变比为-1，循环频率为0.5 Hz.所有的疲劳实验均需要进行到循环应力幅下降到整个疲劳变形过程中所达到的应力幅峰值的80%为止，并将此时的循环周次定义为疲劳寿命.
利用SYJ-150A型低速金刚石切割机在距离疲劳试样断口表面约1 mm处，沿着垂直加载方向切取厚约0.5 mm的薄片.分别利用1000#、1500#和2000#砂纸对薄片进行研磨，直至其厚度下降到50 μm左右为止.利用TenuPol-5型双喷电解减薄仪对经过研磨后的薄片进行最终减薄.其中，电解液选用高氯酸酒精溶液；实验温度为-20℃；实验电压为30 V.利用JEM-2100型透射电子显微镜对经过最终减薄的薄片进行微观组织观察.此外，利用S-3400N型扫描电子显微镜对疲劳试样的断口形貌进行观察与分析.
2.1 循环应力响应行为
Inconel 625合金在室温下的循环应力响应曲线如图2所示.由图2可知，在实验所采用的所有外加总应变幅下，Inconel 625合金在低周疲劳变形前期的循环应力幅均随着循环周次的增加而逐渐增加，即合金发生了循环应变硬化.当循环应力幅达到最高值后，随着循环周次的继续增加，Inconel 625合金的循环应力幅开始逐渐降低，即合金呈现出循环应变软化行为.由图2还可以观察到，当外加总应变幅(Δεt/2)为0.4%时，Inconel 625合金的循环应变软化程度相对较低.
图2 Inconel 625合金的循环应力响应曲线
Fig.2 Cyclic stress response curves for Inconel 625 alloy
2.2 低周疲劳寿命行为
一般而言，在低周疲劳加载条件下，材料的疲劳寿命与弹性应变幅(Δεe/2)和塑性应变幅(Δεp/2)之间的关系分别服从Basquin和Coffin-Manson公式，即
(1)
(2)
式中：2Nf为发生疲劳破坏时的载荷反向周次；
和b分别为疲劳强度系数和指数；
和c分别为疲劳延性系数和指数；E为弹性模量.
图3为Inconel 625合金在室温下进行低周疲劳变形时，其应变幅与断裂时的载荷反向周次(2Nf)之间的关系曲线.由图3可知，室温下Inconel 625合金的弹性应变幅(Δεe/2)和塑性应变幅(Δεp/2)与断裂时的载荷反向周次(2Nf)之间均呈现线性关系.因此，可以分别采用Basquin和Coffin-Manson公式来对该关系进行描述.
图3 Inconel 625合金的应变幅-载荷反向周次关系
Fig.3 Relationship between strain amplitudes and reversals to failure for Inconel 625 alloy
2.3 循环应力-应变行为
通常采用循环应力-应变曲线来表征材料的循环应力-应变行为.循环应力-应变曲线能够反映出材料在低周疲劳条件下的真实应力-应变特性.材料的循环应力-应变之间的关系可以表示为
Δσ/2=K′(Δεp/2)n′
(3)
式中：Δσ/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Inconel 625合金在室温下进行低周疲劳变形时的循环应力-应变曲线.由图4可见，Inconel 625合金的循环应力幅和塑性应变幅之间呈现双斜率线性行为.
图4 Inconel 625合金的循环应力-应变曲线
Fig.4 Cyclic stress-strain curve for Inconel 625 alloy
采用线性回归分析方法对图3、4中的实验数据加以分析后，即可计算出Inconel 625合金的各个应变疲劳参数，具体结果如表2所示.
表2 Inconel 625合金的应变疲劳参数
Tab.2 Strain fatigue parameters for Inconel 625 alloy
2.4 低周疲劳断裂行为
图5为当外加应变幅为0.8%时，Inconel 625合金在室温下进行低周疲劳实验后的断口形貌.由图5a可知，合金的低周疲劳裂纹主要以穿晶方式萌生于疲劳试样的自由表面(箭头所指处)，且低周疲劳裂纹早期也是以穿晶方式进行扩展的.在疲劳裂纹的稳定扩展区，可以观察到非常清晰的塑性疲劳条带，且塑性疲劳条带的宽度还会随着疲劳裂纹的进一步扩展而有所增大(见图5b、c).因而可以进一步证实，Inconel 625合金在室温下进行低周疲劳变形时，疲劳裂纹是以穿晶方式进行扩展的.由图5d可见，在疲劳试样的瞬断区观察到了明显的韧窝形貌.
2.5 疲劳变形后的微观组织
如前所述，当Inconel 625合金在室温下进行低周疲劳变形时，合金在疲劳变形前期表现为循环应变硬化，而在疲劳变形后期则呈现出循环应变软化行为.实际上，位错和晶体缺陷间的交互作用、位错组态与材料的塑性变形行为均对合金的循环应力响应行为具有重要的影响[14].因此，可以从疲劳变形过程中位错与位错、位错与界面之间产生的相互作用，以及位错组态的演化角度来解释Inconel 625合金的循环应力响应行为.
图6为Inconel 625合金微观组织的TEM图像.在Inconel 625合金的循环变形过程中，位错与孪晶界之间可以发生强烈的交互作用，可以有效阻碍位错的进一步运动，从而明显降低了可动位错的数量，进而使得大量位错塞积于孪晶界处(见图6a).另外，在合金的疲劳变形过程中，位错与位错之间可以发生强烈的交互作用，从而形成了位错缠结、位错锁等复杂的位错组态(见图6b)，这些复杂的位错组态对后续位错的运动起到了有效的阻碍作用.因此，Inconel 625合金在疲劳变形前期呈现出循环应变硬化现象.然而，随着循环周次的逐渐增加，合金的位错重构使得位错组态开始变得简单，且此时位错分布也较为均匀(见图6c)，从而减小了位错的运动阻力，因而Inconel 625合金在疲劳变形后期发生了循环应变软化.
图5 Inconel 625合金疲劳断口的SEM图像
Fig.5 SEM images of fracture surfaces for Inconel 625 alloy
图6 Inconel 625合金微观组织的TEM图像
Fig.6 TEM images for microstructures for Inconel 625 alloy
通过以上实验分析，可以得出如下结论：
1) 当Inconel 625合金在室温下进行低周疲劳变形时，合金在疲劳变形前期呈现出循环应变硬化现象，而在疲劳变形后期呈现出循环应变软化现象.
2) Inconel 625合金的弹性应变幅和塑性应变幅与断裂时的载荷反向周次之间呈线性关系，且可分别用Basquin和Coffin-Manson公式进行描述.
3) 位错与位错之间，以及位错与孪晶界之间的相互作用，使得Inconel 625合金在低周疲劳变形前期发生了循环应变硬化，而位错重构导致合金在低周疲劳变形后期发生了循环应变软化.
4) 当Inconel 625合金在室温下进行低周疲劳变形时，低周疲劳裂纹以穿晶方式萌生于疲劳试样的自由表面，并以穿晶方式进行扩展.
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(责任编辑：尹淑英 英文审校：尹淑英)
WANG Yuan-yuan1,CHEN Li-jia1,WANG Bao-sen2,ZHANG Si-qian1
(1.School of Materials Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China; 2.Institute for Welding and Surface Technology,Shanghai Baosteel Research Institute,Shanghai 201900,China)
Abstract：In order to provide a reliable theoretical basis for the fatigue-resistant design of Inconel 625 alloy components,the axial total strain amplitude-controlled low-cycle fatigue tests were performed for Inconel 625 alloy at room temperature.In addition,the strain fatigue life and cyclic stress-strain data at room temperature were analyzed to determine the strain fatigue parameters of the alloy.The morphology analysis for fracture surfaces and microstructural observation were performed for the Inconel alloy specimens with scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM),respectively.The results show that the relationship between both elastic and plastic strain amplitudes as well as reversals to failure for the alloy at room temperature can be described by Basquin and Coffin-Manson equations,respectively.It is noted that the Inconel 625 alloy exhibits the cyclic strain hardening and softening during the fatigue deformation at roon temperature.For the Inconel 625 alloy,the low-cycle fatigue cracks transgranularly initiate on the free surfaces of fatigue specimens and propagate in a transgranular mode.
Key words：Inconel 625 alloy; room temperature; low-cycle fatigue; fatigue life; dislocation; twin boundary; cyclic stress response; failure mode
收稿日期：2015-12-09.
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51501117).
作者简介：王媛媛(1990-)，女，辽宁沈阳人，硕士研究生，主要从事金属材料组织与性能等方面的研究.
doi：10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.09
中图分类号：TG 146.1
文献标志码：A
文章编号：1000-1646(2016)02-0170-05
*本文已于2016-03-02 16∶45在中国知网优先数字出版.网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1645.036.html