DZ125高温合金超高周疲劳裂纹萌生与扩展
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２０１４年１２月 第９卷第６期 失效分析与预防 Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１４
Ｖｏ１．９。Ｎｏ．６
ＤＺ１２５高温合金超高周疲劳裂纹萌生与扩展 顾玉丽 ，陶春虎 ，佘力 ，何玉怀 ，许罗鹏 （１．北京航空材料研究院，北京１０００９５；２．航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京１０００９５； ３．中航工业失效分析中心，北京１０００９５；４．四川大学空天科学与工程学院，成都６１００６４）
［摘要］裂纹的萌生与扩展是研究合金材料超高周疲劳行为的重要方面。本研究分析与探讨了温度和表面状态对ＤＺ１２５ 合金的超高周疲劳裂纹萌生与扩展特征的影响。不同温度下，ＤＺ１２５合金的超高周疲劳裂纹萌生位置和扩展方式不同。室 温下，裂纹均沿表面起源，裂纹扩展以拉伸模式为主；７００ 下，裂纹均沿亚表面起源，裂纹扩展以剪切模式为主。室温下， ＤＺ１２５合金经激光冲击处理前后的超高周疲劳裂纹萌生位置和扩展方式均存在差异。经过激光冲击处理后，裂纹萌生于合 金的内部孔洞缺陷，裂纹扩展完全以剪切模式进行。 【关键词］镍基铸造高温合金；超高周疲劳；裂纹萌生；裂纹扩展 ［中图分类号］ＴＧ１３２．３ ［文献标志码］Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３￣２１４．２０１４．０６．００１ ［文章编号］１６７３￣２１４（２０１４）０６－０３２３－０７
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ Ｃｙｃｌｅ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｃｒａｃｋ Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ０ｆ ＤＺ１２５ Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ＧＵ Ｙｕ．１ｉ ， ，。，ＴＡＯ Ｃｈｕｎ．ｈｕ ， ’ ，ＳＨＥ Ｌｉ ，ＨＥ Ｙｕ—ｈｕａｉ ， ＇。，ＸＵ Ｌｕｏ．ｐｅｎｇ
（１．Ｂｅ ｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，Ｂｅ ｎｇ １０００９５，Ｃｈｉｎａ； ３．ＡｖｉｅＦａｉｌｕｒｅ 砌Ｚｙ ｉｓ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９５，Ｃｈｉｎａ； ４．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｒａｃｋ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｕｌｔｒａ—ｈｉｇｈ ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ＤＺ１２５ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｎ ｔｈｅ ｕｈｒａ—ｈｉｇｈ ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ＤＺ１２５ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ．Ｔｈｅ ｕｈｒａ—ｈｉｇｈ ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ＤＺ１２５ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｖａｒｙ ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ．Ａｌｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋｓ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｅｄ ｍａｉｎｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐａｔｔｅｒｎ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ａｌｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋｓ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｅｄ ｍａｉｎｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｐａｔｔｅｒｎ ａｔ ７００℃．Ｔｈｅ ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎ ｗｅｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｏｒ ＤＺ１２５ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｌａｓｅｒ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃａｖｉｔｉｅｓ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ＤＺ１２５ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｅｄ ｅｎｔｉｒｅｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｐａｔｔｅｒｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｓｔ Ｎｉ－ｂａｓｅ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ；ｕｌｔｒａ—ｈｉｇｈ ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ；ｃｒａｃｋ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ；ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ
０ 引言 通常，合金材料的超高周疲劳裂纹的萌生和扩 展，呈现出与低周和高周疲劳不同的特有过程，是 研究合金材料超高周疲劳行为的重要方面。大量 的研究结果显示，超高周疲劳裂纹的内部萌生和表 面萌生对应着不同的疲劳寿命。在高周疲劳阶段，
裂纹在表面萌生，而在超高周疲劳阶段（循环周次 ＞１０ ），裂纹可能会从表面转入内部萌生，也可能 还在表面，这与合金的种类、夹杂物、缺陷的大小、 残余应力等因素相关 。 。如果疲劳裂纹萌生于合 金内部，断口源区的“鱼眼”是高强度钢的典型特 征 Ｊ，裂纹扩展的主要阶段集中在“鱼眼”的内 部。对于无明显缺陷的材质，裂纹一般萌生于大晶 粒、相界面、孪晶等组织不均匀处 ｊ。
【收稿日期］２０１４年９月２５日 【修订日期］２０１４年ｌ１月２１日 ［基金项目］国家自然科学基金（１１３０２２１２）；中国民航飞行学院开放基金项目（Ｆ２０１４ＫＦ０１） ［作者简介］顾玉丽（１９７９年一），女，博士，高级工程师，主要从事材料的结构损伤分析等方面的研究。 第６期 顾玉丽，陶春虎，佘力，等：ＤＺ１２５高温合金超高周疲劳裂纹萌生与扩展 ３２９ ４）室温下，ＤＺ１２５合金经过激光冲击处理后 的超高周疲劳断口均显示与应力轴成４５。的剪切 断裂模式，裂纹萌生于合金的内部孔洞缺陷。 ５）长期时效状态（９５０ ｃＣ，１ ５００ ｈ）的ＤＺ１２５ 合金，经过激光冲击处理后，原来的球形 相有 了较大幅度的改善， 相正方度略有提高，出现定 向排列现象。
参考文献 ［１］Ｂａｙｒａｋｔａｒ Ｅ，Ｇａｒｃｉａｓ Ｍ Ｉ，Ｂａｔｈｉａｓ Ｃ．Ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｍｅｔａｌｌｉｃ ａｌｌｏｙｓ ｉｎ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｒａｎｇｅ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆａｔｉｇｕｅ，２００６，２８（１１）：１５９０—１６０２． ［２］Ｓｈａｎｙａｖｓｋｉｙ Ａ Ａ．Ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｍｉｔ—ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅ￣ｙ ａｓ ａｎ ｏｐｅｎｅｄ ｏｒｃｌｏｓｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖｉｅｗ ｏｎ ｔｈｅ ａｉｒｃｒａｆｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆａｉｌｕｒｅｓ ｉｎ ＧＣＦ ａｒｅａ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆａｔｉｇｕｅ，２００６，２８ （１１）：１６４７—１６５７． ［３］Ｍｕｒａｋａｍｉ Ｙ，Ｙｏｋｏｙａｍａ Ｎ Ｎ，Ｎａｇａｔａ Ｊ．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｉｎ ｕｌｔｒａｌｏｎｇ ｌｉｆｅ ｒｅｇｉｍｅ［Ｊ］．Ｆａｔｉｇｕｅ＆Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００２，２５（８—９）：７３５ —７４６． ［４］Ｍｕｒａｋａｍｉ Ｙ，Ｎｏｍｏｔｏ Ｔ，Ｕｅｄａ Ｔ．Ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｌｏｎｇ ｌｉｆｅ ｒｅｇｉｍｅ（Ｎ＞１０７）．ｐａｒｔⅡ： ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｔｒａｐｐｅｄ ｂｙ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ［Ｊ］，Ｆａｔｉｇｕｅ＆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０００，２３（１１）： ９０３—９１０． ［５］Ｚｈａｎｇ ＪＭ，Ｌｉ ＳＸ，Ｙａｎｇｚ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆｉｎｃｌｕｓｉｏｎ ｓｉｚｅ ｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔｅｅｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｇｉｇａｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｇｉｍｅ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆａｔｉｇｕｅ，２００７，２９（４）：７６５
—７７１． ［６］Ｓｃｈｗｅｒｄｔ Ｄ，Ｐ ｔｅｌ Ｂ，Ｂｅｒｇｅｒ Ｃ．Ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｆａｉｌｕｒｅ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｗｒｏｕｇｈｔ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ｉｎ ｔｈｅ ＶＨＣＦ—ｒｅｇｉｏｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＦａｔｉｇｕｅ，２０１１，３３（１）：３３—４１． ［７］Ｍｉａｏ Ｊ，Ｐｏｌｌｏｃｋ Ｔ Ｍ，Ｗａｙｎｅ Ｊｏｎｅｓ Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｎｉｃｋｅｌ－ｂａｓｅｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ Ｒｅｎ６ ８８ＤＴ ａｔ ｅｌｅｖａｔｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，２００９，５７（２０）：５９６４—５９７４． ［８］ＭｏｒｒｉｓｓｅｙＲ Ｊ，Ｇｏｌｄｅｎ Ｐ Ｊ．Ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｉｎ ｔｈｅ ｇｉｇａｃｙｅｌｅ ｒｅｇｉｍｅ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆａｔｉｇｕｅ，２００７， ２９（９一ｌ１）：２０７９—２０８４． ［９］顾玉丽，陶春虎，何玉怀，等．ＤＺ１２５定向凝固高温合金的超 声疲劳行为研究［Ｊ］．失效分析与预防，２０１１，６（２）：８５—８９． ［１Ｏ］顾玉丽，刘昌奎，何玉怀，等．２０ ｋＨｚ频率下ＤＺ１２５定向凝 固高温合金的超高周疲劳行为研究［Ｊ］．航空材料学报， ２０１１，３１（增刊１）：１４６—１５０． ［１１］刘恩泽，郑志，佟健，等．ＤＺＡｔ６８合金高周疲劳性能研究 ［Ｊ］．金属学报，２０１０，４６（６）：７０８—７１４． ［１２］苏尔茨．材料的疲劳［Ｍ］．王中光，等，译．北京：国防工业 出版社，１９９３：９６—１１７． ［１３］Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ Ｍ，Ｓｔｓｃｋｅｒ Ｃ，Ｃｈｒｉｓｔ Ｈ Ｊ．Ｏｎ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ＶＨＣＦ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｔ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆａｔｉｇｕｅ，２０１１，３３ （１）：４２—４８． ［１４］Ｌｊ Ｗ，Ｓａｋａｉ Ｔ，Ｗａｋｉｔａ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｆｅｃｔ ｏｎ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｌｅａｎ ｓｐｒｉｎｇ ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＦａｔｉｇｕｅ，２０１４，６０：４８— ５６． ［１５］Ｓｈｉｏｚａｗａ Ｋ，Ｌｕ Ｌ．Ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ－ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｓｈｏｔ・ ｐｅｅｎｅｄ ｈｉ【ｇｌｌ—ｃａｒｂｏｎ—ｃｈｒｏｍｉｕｍ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｆａｔｉｇｕｅ＆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００２，２５（８— ９）：８１３—８２２．
