預應變對GH4169合金低周疲勞行為的影響

耿長建，周軼群，佟文偉，劉福春，劉 歡

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

預應變對GH4169合金低周疲勞行為的影響

耿長建，周軼群，佟文偉，劉福春，劉 歡

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

為了研究發動機構件在實際工作中受到的軸向拉應力作用下疲勞行為的變化，開展了發動機常用材料G H 4169合金在拉伸預應變條件下的低周疲勞行為的研究，得出疲勞壽命隨預應變增加的變化規律。從宏觀和微觀2方面分析預變形對材料低周疲勞行為影響的變形機制。最終為解決實際工程中構件斷裂等問題提供技術支持，同時也為評估航空發動機構件在產生預變形條件下的壽命，確保安全使用提供技術支撐。結果表明：隨著預應變量的增加低周疲勞壽命降低,組織內位錯密度、孿晶數量均增加，裂紋擴展長度減小。

預應變；低周疲勞；G H 4169合金；應力幅；滯后回線；變形機制

0 引言

航空發動機在使用過程中面臨著高溫、振動以及劇烈的狀態變化，為了提高航空發動機性能（特別是推重比），材料和構件的可靠性需要達到更高標準。在發動機試車及零部件試驗中，常出現由應力過載導致塑性變形的情況。某些材料在一定形變條件下產生強化，有些情況下這種變形對材料和零部件壽命及安全性產生不利影響。因此，航空發動機構件材料的力學性能和構件性能要達到更高要求。近幾年，航空發動機和燃氣輪機在工作中因構件損傷破壞而導致嚴重事故多發，因此研究發動機構件的使用壽命是解決問題的關鍵。國內外學者針對預變形對材料疲勞性能的影響做了大量研究[1-8]。

發動機構件在實際工作中受軸向拉應力作用。本文研究了GH4169合金在不同預應變條件下的低周疲勞行為，并對其變形機制進行分析，研究了構件在拉應力作用下材料的低周疲勞性能變化，為發動機構件在實際工作條件下的疲勞行為研究提供理論依據。

1 預應變低周疲勞試驗

在預應變試驗中，拉伸應力超過試棒的屈服強度發生塑性變形，即產生一定預應變，將預應變試棒加工成標準疲勞試樣。為保證試驗結果的準確性，將3個同一預應變量條件下的試樣疲勞試驗結果作為1組數據。在Instron試驗機上進行疲勞試驗，應變幅為1.2%（應變比為0.1）。

1.1 低周疲勞性能曲線

不同預應變量條件下低周疲勞應力幅隨循環周次的變化曲線（每條曲線是1個試樣的結果）如圖1所示。從圖中可見，應力幅隨著循環周次的增加而逐漸減小，即發生循環軟化。

圖1 應力幅-循環周次變化曲線

在應變幅為1.2%的條件下，低周疲勞壽命與預應變量的關系曲線如圖2所示。從圖中可見，低周疲勞壽命隨著預應變量的增加而縮短。

圖2 循環周次-預應變量曲線

在2%預應變條件下不同周期應力-應變曲線如圖3所示。從圖中可見，滯回曲線的不對稱性隨循環周次的增加變化不明顯；密排六方金屬鎂合金滯回曲線的不對稱性隨循環周次的增加明顯增強[9]，說明GH4169合金包申格效應不明顯[10]。

在不同預應變條件下第2000周次的滯回曲線如圖4所示。從圖中可見，預應變量越大，發生該應變量所需要的應力越大，隨著預應變量的增加，同一周期滯回曲線整體上平移但曲線形狀無明顯變化，即發生同一應變所需應力增大。

圖3 2%預應變不同循環周次應力-應變滯回曲線

圖4 不同預應變條件下第2000周期的應力-應變滯回曲線

1.2 微觀組織分析

疲勞斷裂后試樣微觀組織如圖5所示。從圖中可見，不同應變量疲勞斷裂組織整體上形貌變化不大，但組織內位錯、孿晶的數量隨著預應變量增加而增加。位錯密度也隨應變量增加而增大[11]。隨著變形量的增加，產生孿晶的剪切應力更易達到，故孿晶數量隨著預應變量的增加而增加，位錯及孿晶界處更容易產生應力集中，導致疲勞壽命縮短。

圖5 疲勞斷裂試樣組織

1.3 斷口分析

不同預應變疲勞試樣斷口裂紋擴展長度如圖6所示。從圖中可見，裂紋擴展長度隨著預應變量的增加而減小（2%預應變除外）。

圖6 斷口宏觀形貌

斷口中心部位微觀形貌如圖7所示。從圖中可見，每個斷口中心部位都有大量較深的韌窩，說明中心部位為韌性斷裂。經過預應變試件，循環變形能力明顯降低，說明材料在循環塑性應變的作用下，破壞迅速。由此可見，塑性疲勞是造成疲勞損傷的根本原因，同時也說明當循環載荷能夠引起材料的反向塑性變形越大時（施加載荷足夠大），材料的破壞損傷也越嚴重[12]。

圖7 中心部位斷口形貌

2 分析與討論

一般來說，如果材料在非對稱應變循環變形條件下（Ra=0或Ra=-∞），其應力變化與對稱應變循環變形條件下的應力變化有所差異。材料在拉-拉循環變形條件下（Ra=0）的應力隨應變變化如圖8所示。

圖8 高、低應變幅下第1周期滯回曲線

從圖中可見，在小應變幅下的拉伸開始階段，首先發生彈性形變，然后是彈塑性變形至a點。卸載后回彈，應力降為零，但殘留有小的塑性應變。此時，若將應變回復到零，需要有壓縮應力形成反向加載，所需壓縮應力的大小取決于殘留塑性應變的大小和反向壓縮過程中材料的屈服應力大小。由于在小應變幅下發生的塑性應變極小，所以從a至b的應力-應變曲線為線性，該過程為彈性應變。在接下來的循環變形過程中，應力-應變響應將沿著圖中所示的紅色直線在a、b之間往復進行。在大應變幅下的循環變形過程中，在拉伸初始階段發生彈性應變后，從a至c發生較大彈塑性應變。卸載后，發生回彈，應力降為零，但殘留的塑性應變較大，若將應變回復至零，需要較大的壓縮應力。在該過程中，有可能發生塑性屈服，屈服應力的大小取決于塑性變形的大小和是否發生包申格效應[13-14]。理想情況下，從c至d發生彈性應變，在d點發生屈服，而從d至e為彈塑性應變。在接下來的卸載和反向拉伸過程中，應力-應變曲線從e至 f為線性、彈性過程，而從f至c為非線性、彈塑性過程，由f至c，構成c-d-e-f-c滯回曲線[15]。預應變使試樣在開始階段就產生了塑性變形，使接下來的疲勞過程中從a至b，c至d過程縮短，疲勞壽命縮短。因此，預應變量越大疲勞壽命越短。

3 結論

（1）不同預應變量條件下應力幅均隨循環周次的增加而逐漸減小；

（2）隨著預應變量的增加，循環周次減少，整個循環過程滯回曲線的不對稱性變化不明顯；

（3）隨著預應變量的增加，同一周期滯回曲線整體上平移；

（4）隨著預應變量的增加，內位錯密度、孿晶數量均增加，裂紋擴展長度減小（2%預應變除外）。

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（編輯：趙明菁）

Effect of Prestrain on Low Cycle Fatigue Behavior of GH4169 Alloy

GENG Chang-jian,ZHOU Yi-qun,TONG Wen-wei,LIU Fu-chun,LIU Huan
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

In order to research the mechanical behaviors of aeroengine artifacts under the practical condition of tensile stress,the effect of prestrain on the fatigue behaviors of GH4169 alloy material which widely used in aeroengine was analyzed.The relation of the cycle life with increasing prestrain was obtained.The impact of prestrain on the deformation mechanism of GH4169 was investigated in-depth by both macrostructure and microstructure methods respectively.Technology sustainment was provided for the solution of fracture analysis of aeroengine artifacts and the security of aeroengine artifacts working in the prestrain condition.The results show that the cyclic number decreased with the increasing prestrain,the dislocation density and the number of twinning both increased with the increasing prestrain, while the length of extended crack reduced.

prestrain;low cycle fatigue;GH4169 alloy;stress amplitude;hysteresis loop;deformation mechanism

V 216.5+5

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.05.016

2014-11-28 基金項目：航空動力基礎研究項目資助

耿長建（1980），男，博士，工程師，從事金屬材料性能及其微觀變形機制研究工作；E-mail：gengchangjian2008@163.com。

耿長建，周軼群，佟文偉，等.預應變對GH4169合金低周疲勞行為的影響[J].航空發動機，2015，41（5）：77-80.GENG Changjian，ZHOU Yiqun，TONG Wenwei，et al. Effect ofprestrain on lowcycle fatigue behavior ofGH4169 alloy[J].Aeroengine，2015，41（5）：77- 80.