目录结构

通过对不同缺口半径的K418材料平板试样进行静拉伸实验宏观结果分析、组织观察及断口观察分析, 研究了K418材料的缺口敏感性及断裂机制。结果表明:由于缺口根部的应力集中, 试样的裂纹首先起裂在缺口根部, 然后沿着缺陷处进一步扩展直至断裂。材料的抗拉强度随着材料缺口半径的增加及应力集中系数的降低而降低。缺口敏感性在缺口根部半径尺寸位于0.13⁰.25 mm之间有一个临界值, 当缺口半径尺寸等于或大于这一值时试样存在缺口敏感性, 即缺口敏感性指标NSR值小于1;当缺口半径尺寸小于这一临界值时试样不存在缺口敏感度, 即NSR接近1。K418材料的原始铸态晶粒尺寸粗大;枝晶偏析、缩松是其主要的缺陷组织。另外该材料的断裂即不是一般的典型脆性断裂, 也不是典型的韧性断裂。它是韧脆混合的断裂, 韧性断裂的特征表现为有一定的韧窝及撕裂棱。而脆性的特征表现为光滑明亮的解理小平面, 同时在小平面内也出现二次微裂纹。同时在这种韧脆混合的断裂形态中也可以看到存在很多柱状树枝晶, 疏松及枝晶偏析, 这与材料在凝固时的条件有很大的关系。

关键词：

缺口半径;缺口敏感性;K418;缺陷;

中图分类号： TG132.32

作者简介：曹睿, 通讯联系人, (E-mail:caorui@lut.cn) ;

收稿日期：2010-01-04

基金：国家自然科学基金 (50905081);柴油机高增压技术国防科技重点实验室基金 (9140C3309020803) 资助项目;

Notch Sensitivity of K418 Alloy

Abstract：

Notch sensitivity and fracture mechanism were studied for K418 alloy specimens with various notch radiuses by analysis of macro results of static tensile test, observation and analysis of microstructure and fracture surface.The results showed that owing to the stress concentration existed in the notch root, the crack initiated here, and then further propagated along defects until the sample fractured.With the increase of notch root radius and the decrease of stress concentration coefficient, the tensile strength decreased.A critical value of notch sensitivity existed between 0.13⁰.25 mm of notch root radius.When the notch ratio was equal to or greater than the value, the notch sensitivity appeared in the material, i.e.NSR was smaller than 1.When the notch ratio was smaller than the critical value, the notch sensitivity did not appear in the material, i.e.NSR was about 1.The grain size of the original K418-cast material was very large, dendrite segregation and dispersed shrinkage were the main defect structures.Moreover, the fracture of the material was a mixed ductile-brittle fracture, nor was it a typical brittle fracture or a typical ductile fracture.Ductile fracture was characterized by a series of dimples and tearing ridges, while the brittle fracture was characterized by smooth, bright cleavage facet, meanwhile second microcracks also appeared in a small cleavage fracture plane.There were many columnar dendrite, dispersed shrinkage, and dendrite segregation in such a mixed ductile-brittle fracture patterns, which was associated with the solidification conditions of the material.

Keyword：

notch radius;notch sensitivity;K418;defect;

Received： 2010-01-04

镍基高温合金被广泛地用于航空、航海、石油化工等领域。 K418材料是一种镍基高温合金, 它是目前航空发动机和工业燃气轮机涡轮叶片等高温部件的主要用材, 在先进的飞机发动机中这种合金的重量占50%以上, 使用温度在650～1100 ℃范围内 ^[1] 。这种材料在实际使用过程中由于存在一些机加工缺陷及材料本身的铸造缺陷, 常常致使构件早期失效, 因此对K418材料的缺口敏感性研究是至关重要的。缺口敏感性试验是为了了解当材料在带有一定的应力集中的缺口条件下, 在外加应力达到破坏的情况后, 其抵抗裂缝扩展的倾向和能力 ^[2] 。对于K418材料目前主要研究集中在K418材料与42CrMo异种材料连接的相关问题 ^[3,4,5,6,7] 。同时有些学者也对热处理工艺方面的问题进行了研究 ^[8,9] 。对高温合金GH2036, GH4169及TiAl合金的缺口敏感性也做了相应工作 ^[10,11,12] , 得出缺口敏感度的临界值等相关重要参数。本文初步对K418材料的缺口敏感性进行了一些研究。

1 实验

用电火花线切割机制取光滑及缺口平板拉伸试样, 试样尺寸分别如图1, 2所示。缺口平板拉伸试样采用64 mm×14 mm×2 mm, 带有60°角的“V”形缺口, 缺口深度a=1 mm的双边缺口平板试样, 4组缺口拉伸试样的底角圆弧半径ρ分别取0.08, 0.13, 0.25和0.85 mm。然后在Instron试验机上进行平板拉伸和缺口拉伸试验, 试验机速度为1 mm·min^-1, 试验机自动记录了材料的屈服强度、载荷与位移等。

图1 光滑平板拉伸试样 (mm)

Fig.1 Smooth flat tensile specimen (mm)

图2 缺口平板拉伸试样 (mm)

Fig.2 Notch flat tensile specimen (mm)

通过扫描电子显微镜JEOL-6700F对所有试样的断口进行详细观察, 用以确定断裂的形态, 另外对其宏观缺陷也进行了观察分析。

2 结果与讨论

2.1宏观结果分析

拉伸试验测得的结果如表1所示, 拉伸曲线如图3所示。从图3中可以看出缺口半径为0.08和0.13 mm的曲线D, F的抗拉强度大于光滑试样的抗拉强度, 缺口半径为0.25和0.85 mm的曲线H, J的抗拉强度小于光滑试样的抗拉强度。材料的缺口敏感性通常用缺口敏感度NSR (notch sensitivity ratio) 来表征。定义NSR=σ_bn/σ_n, 其中σ_bn, σ_n分别为带缺口试样和无缺口等截面光滑试样的抗拉强度。当NSR的值在1附近或比1大时, 表示材料对缺口不敏感, 因为带缺口试件的抗拉强度大于或约等于光滑试件的抗拉强度; 当NSR的值明显小于1时, 表示材料对缺口敏感, 因为带缺口试件的抗拉强度显著小于光滑试件的抗拉强度, 且NSR值越小表示缺口越敏感 ^[13,14] 。

表1拉伸试验的实验结果*

Table 1Experimental results of tensile test

No.	A/mm²	σ_0.2/MPa	E/GPa	σ_f/MPa	σ_b/MPa	ε_f/%	W_f/ (J·mm^-2)
K418-0	12.8330	699.344	177.079	701.215	707.330	6.4699	4.7200
K418-0.08	10.8780	709.701	214.060	346.681	744.693	3.7129	2.1415
K418-0.13	10.9956	676.222	181.031	564.074	729.520	2.5777	1.5715
K418-0.25	10.0972	630.630	170.043	619.830	664.466	2.0201	1.3545
K418-0.85	10.9332	622.115	163.225	455.318	633.904	2.4421	1.4425

* A: true cross-area, σ_0.2: yield strength, E: elastic modulus, f: true fracture strength, b: tensile strength, f: nominal fracture strain, W_f: fracture energy

由表1所示结果通过公式 $Ν S R = \frac{σ_{b Ν}}{σ_{b}}$ 和 $Κ_{t} = 1 + 2 \sqrt{\frac{α}{ρ}}$ 计算出试样的缺口敏感度和应力集中系数 ^[15] , 结果如表2所示。根据NSR判据, 缺口尺寸为0.08和0.13 mm的缺口试样对缺口是不敏感的, 缺口尺寸为0.25和0.85 mm的缺口试样对缺口是敏感的。所以得出结论: 缺口尺寸在0.13～0.25 mm之间有一个临界值, 当缺口尺寸等于或大于这一值时试样存在缺口敏感性。另外, 材料的抗拉强度σ_b随着应力集中系数K_t的增大而增大, 材料的缺口敏感度随着应力集中系数的增加而降低。由此说明应力集中系数对材料的抗拉强度和缺口敏感度的影响是比较大的。随着材料应力集中系数的增大, 其抗拉强度增加。材料的抗拉强度随着材料的缺口半径的增加而降低。在缺口半径小于0.25 mm时, 材料的抗拉强度随着其缺口半径的降低迅速的增加, 当大于这一值时, 随着缺口半径的增加, 强度的降低程度减慢。由此说明, 材料的缺口半径对抗拉强度和缺口敏感度的影响是比较大的。由于缺口半径为0.08和0.13 mm的缺口试样NSR刚刚超过1, 因此总体来说随着缺口半径的增大, 其抗拉强度和缺口敏感度均在降低, 并且都在缺口半径小于某一值时, 其降低的速率变大。

图3 K418拉伸试样的工程应力工程应变曲线

Fig.3 Engineering stress and engineering strain curve of K418 alloy

表2ρ-NSR-Kt关系

Table 2Relations of ρ-NSR-K_t

ρ/mm	0.08	0.13	0.25	0.85
NSR	1.05	1.03	0.94	0.90
K_t	8.07	6.55	5.00	3.17
σ_b/MPa	744.7	729.5	664.5	633.9

不同缺口半径下试样缺口前沿应力应变分布的计算结果如图4所示, 当外加应力为478 MPa, 也即所有试样宏观均处于弹性阶段时 (如图3所示) , 缺口前沿的应力应变分布如图4 (a) 和 (b) 所示。显然缺口半径最小的试样其应力集中和应力强化最大, 塑性应变也就越大, 即同样的外加应力下缺口半径越小的试样塑性变形越大, 应力强化程度越大。由于材料实际的拉伸强度是材料的属性, 是一定的, 并不随着外在条件的变化而变化, 所以要达到同样的变形, 缺口半径越小的试样其外加的应力应该越大。因此得到如表2所示的结果, 随着缺口半径的减小, 缺口强度随之增加。如果试样在加载的过程中已经宏观屈服, 这时的应力应变分布如图4 (c) 和 (d) 所示, 这时应力应变显著增加, 并且高应力和高应变的区域也增加。如果试样没有没有缺口敏感性, 应该所有的NSR接近1或者大于1, 也就是说图3中H, J两条曲线也应该在B曲线的上方。综合说明缺口敏感性在缺口根部半径尺寸位于0.13～0.25 mm之间有一个临界值, 当缺口尺寸等于或大于这一值时试样存在缺口敏感性。得出的这一结论可以对K418合金铸造缺陷监测方面提供一理论依据。

2.2微观组织及断口观察结果及分析

图5是K418 合金的光学显微组织图, K418合金具有一般铸造镍基高温合金显微组织的特点, 主要由4种相组成: γ固溶体, γ′沉淀强化相, MC型碳化物, M3B2型硼化物。在γ基体上弥散分布γ′沉淀相, 它是合金的主要强化相, 约占合金总重量的55% (质量分数) 。在晶界和枝晶间有γ-γ′共晶相, 约占合金体积的2%, MC型碳化物占合金总重量1%左右。另有极少量的M₃B₂硼化物 ^[16] 。图5 (a) 是经过腐蚀之后得到的金相图, 为典型的枝晶形态; 图5 (b) 和 (c) 为没有腐蚀用以观察铸造缺陷的图。从图5 (b) 中可以看到清晰的疏松。图5 (c) 中白色的针状组织是偏聚在晶界上的γ′相, 这是造成枝晶间断裂强度降低的主要原因。

扫描电镜断口观察结果发现断口中枝晶撕裂棱较多, 在撕裂棱之间有少量小的韧窝。经断口观察发现主要组织缺陷是枝晶偏析 (图6 (a) ) 和疏松 (图6 (b) ) 。

图4 不同缺口半径的试样其缺口前沿的应力应变分布

Fig.4 Stress and strain distribution along path of two notch roots for specimens with different notch ratio

(a) Normal stress (σ_yy) distribution at applied of 478 MPa load; (b) Equivalent plastic strain (ε_pq) distribution at applied of 478 MPa load; (c) Normal stress (σ_yy) distribution at applied of 746 MPa load; (d) Equivalent plastic strain (ε_pq) distribution at applied of 746 MPa load

图5 K418合金光学显微组织图

Fig.5 Microstructure of K418 alloys

(a) Dendrite microstructure; (b) Shrinkage; (c) γ′phase segregation

图6 K418合金的铸造缺陷

Fig.6 Casting defects of K418 alloy

(a) Dendrite segregation; (b) Shrinkage

图7是两个K418合金光滑无缺口拉伸试样的应力应变曲线, 但是通过显微组织和断口观察发现0号试样的铸造缺陷比1^#试样的铸造缺陷多很多。由图7可知: 0^#试样和1^#试样的抗拉强度虽然差不多, 然而0^#试样的拉伸塑性及变形程度比1^#试样小的多。这是由于0^#试样 (图8 (b) 所示) 比1^#试样 (图8 (a) 所示) 存在较多的铸造缺陷, 显然铸造缺陷明显影响材料的力学性能。对于K418合金来说铸造缺陷越多拉伸塑性越差, 也即材料变得更脆。尽管如此, 从图7中发现铸造缺陷不同的试样仅仅影响其拉伸的伸长, 即塑性变形量, 对其抗拉强度影响较小。同时表1中其他不同缺口试样的每一组实验都是两个试样的平均值, 每一组试样抗拉强度相差也不是很大。因此, 即使每个试样中的缺陷不同, 但是由于对抗拉强度影响并不大, 即对本文中重点讨论的缺口敏感度影响并不大。

图7 光滑试样0#和1#试样的应力应变曲线

Fig.7 Engineering stress-strain curves of smooth specimen 0^# and 1^#

图8 光滑试样0# (a) 和1# (b) 试样的断裂形貌

Fig.8 Fracture surfaces of smooth specimen 0^# (a) and 1^# (b)

另外从K418材料的断口图6和8可知, 该种材料的断裂即不是一般的典型脆性断裂, 也不是典型的韧性断裂。在其断口形貌上既有韧性断裂的特征, 又有脆性断裂的特征。韧性断裂的特征表现为有一定的韧窝及撕裂棱。而脆性的特征表现为光滑明亮的解理小平面, 同时在小平面内也出现二次微裂纹。同时在这种韧脆混合的断裂形态中也可以看到存在很多柱状树枝晶, 这与材料在凝固时的条件有很大的关系。