鎳基高溫合金GH4169鍛件棒材的力學(xué)性能

引言

由于GH4169高溫合金材料具有良好的抗疲勞、耐腐蝕性能以及良好的加工性能、焊接性能和組織穩(wěn)定性[1-2],其在航空工業(yè)中的應(yīng)用比較廣泛,在航空發(fā)動機(jī)中大量地被用于制造各種靜止件和轉(zhuǎn)動件，如盤件、機(jī)匣、軸、葉片等[3]。

當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時(shí),高速旋轉(zhuǎn)的葉片會吸入硬物雜質(zhì)。這些雜質(zhì)會對葉片等旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)造成小損傷，表現(xiàn)在宏觀上即為機(jī)械缺陷，如缺口和凹坑等，這樣會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，實(shí)際工作中會引起航空發(fā)動機(jī)部件的疲勞破壞，表現(xiàn)為葉片等結(jié)構(gòu)的高周疲勞失效[4-5] 。能準(zhǔn)確地找到這些疲勞損傷，并預(yù)測發(fā)動機(jī)壽命，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

由于GH4169的成分復(fù)雜，因此采用實(shí)驗(yàn)法研究GH4169高溫合金及其缺口疲勞性能具有重要的工程意義[6-7] 。

1、 GH4169高溫合金靜拉伸試樣制備

該試驗(yàn)材料由上海某公司提供。材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。參考國標(biāo)GB228金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法制備了 GH4169高溫合金靜拉伸試驗(yàn)件如圖1所示。試驗(yàn)件尺寸如圖2所示。靜拉伸試驗(yàn)件厚度為2.8 mm。

2、靜拉伸結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)使用的液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)型號為MTS793,整套試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。主要包括載荷框架、控制器及ups電源、水冷控制系統(tǒng)界面以及液壓油源等。

為了得到GH4169高溫合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)而得到材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，共對GH4169高溫合金進(jìn)行了兩次重復(fù)性靜拉伸試驗(yàn)。拉伸結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看岀兩根試驗(yàn)件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線重復(fù)性較好,這說明材料靜拉伸性能穩(wěn)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

拉伸后的斷裂結(jié)果如圖5所示。斷裂位置在試驗(yàn)件中部，有頸縮現(xiàn)象，試驗(yàn)有效。

由實(shí)驗(yàn)所得到的GH4169靜拉伸材料特性如表2所示。這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果可以為GH4169疲勞壽命試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

3、疲勞試驗(yàn)及結(jié)果

在靜拉伸試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行GH4169高溫合金光滑件和缺口件的疲勞壽命試驗(yàn)。對光滑試驗(yàn)件加載級分別為抗拉強(qiáng)度的55%、60%、64%、70%和75%,共5個(gè)等級,對應(yīng)應(yīng)力分別為 701.25 MPa、765 MPa、817.7 MPa、892.5 MPa和956.25 MPao以名義應(yīng)力對缺口件進(jìn)行加載。加載的總名義應(yīng)力為547.21 MPao加載級別為總名義應(yīng)力的60%、70%和81%。對應(yīng)的加載應(yīng)力分別為328.3 MPa,383.0 MPa和443.2 MPa,應(yīng)力比為0.1,波形為正弦波，加載頻率為10Hz。試驗(yàn)時(shí)按設(shè)定的循環(huán)載荷加載,直至試件斷裂，記錄每個(gè)試驗(yàn)件的疲勞壽命。

圖6為GH4169高溫合金光滑件及其斷裂位置。圖7為GH4169缺口件及其斷裂位置。可以看岀，斷裂位置在光滑試驗(yàn)件平行段和缺口試驗(yàn)件缺口處。證明數(shù)據(jù)有效。

表3和表4分別列岀了 GH4169光滑件和GH4169缺口件疲勞斷裂數(shù)據(jù)。隨著應(yīng)力增加，試驗(yàn)件疲勞壽命減小。同一載荷級下，疲勞壽命具有分散性。

所選取的載荷范圍內(nèi)，疲勞試驗(yàn)件的疲勞壽命都集中在104~106之間，處于中長壽命范圍內(nèi)。通過擬合，分別得到光滑件和缺口件的應(yīng)力-壽命曲線如圖8和圖9所示。從圖中可以看岀，在壽命相同情況下，光滑件的應(yīng)力大于缺口件應(yīng)力。

根據(jù)擬合結(jié)果，得到GH4169高溫合金光滑件應(yīng)力-壽命方程為

根據(jù)擬合結(jié)果，得到GH4169高溫合金缺口件應(yīng)力-壽命方程為

根據(jù)缺口疲勞系數(shù)定義,定義式為

式中:Sf為光滑件疲勞極限;Sf,為缺口件疲勞極限。

缺口疲勞系數(shù)是＞1的。缺口疲勞系數(shù)越大,疲勞壽命越短。對于本次研究，試驗(yàn)壽命選取范圍為104~106,所以選取壽命為106對應(yīng)的應(yīng)力為本次研究的疲勞極限。代入式(1)求得光滑件的極限強(qiáng)度為473 MPa。代入式(2)得到缺口件極限強(qiáng)度為267MPa。所以缺口系數(shù)為1.772。

4、結(jié)語

通過本次實(shí)驗(yàn)研究,可以總結(jié)如下幾點(diǎn)：

1) 本文設(shè)計(jì)GH4169高溫合金靜拉伸試驗(yàn)件,當(dāng)試驗(yàn)件受到拉伸載荷作用時(shí)，試驗(yàn)件中心發(fā)生局部頸縮屈服，隨著載荷繼續(xù)增大，屈服區(qū)域逐漸擴(kuò)大，最后從頸縮部位開始岀現(xiàn)裂紋直至斷裂，但是總體頸縮現(xiàn)象不太明顯。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得接頭的抗拉強(qiáng)度約為1275 MPa。

2) 本文在GH4169高溫合金靜強(qiáng)度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展了 GH4169高溫合金光滑件和缺口件的疲勞性能研究，建立了應(yīng)力比R = 0.1下的應(yīng)力-壽命曲線。

3) 通過對光滑件應(yīng)力壽命方程和缺口應(yīng)力壽命方程比較、計(jì)算，得岀了高溫合金缺口疲勞系數(shù)Kf = 1.772。

參考文獻(xiàn)：

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