Inconel 625合金的室溫低周疲勞與斷裂行為*

王媛媛，陳立佳，王寶森，張思倩

(1.沈陽工業大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870；2.寶鋼股份研究院 焊接與表面技術研究所，上海 201900)

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Inconel 625合金的室溫低周疲勞與斷裂行為*

王媛媛1，陳立佳1，王寶森2，張思倩1

(1.沈陽工業大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870；2.寶鋼股份研究院 焊接與表面技術研究所，上海 201900)

為了對Inconel 625合金構件的抗疲勞設計提供可靠的理論依據，在室溫下對Inconel 625合金進行了軸向總應變幅控制的低周疲勞實驗，分析了室溫下合金的應變疲勞壽命和循環應力-應變數據，進而給出了合金的應變疲勞參數.采用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡對Inconel 625合金試樣進行了斷口形貌分析和微觀組織觀察.結果表明，Inconel 625合金在室溫下的彈性應變幅和塑性應變幅與載荷反向周次的關系可分別用Basquin和Coffin-Manson公式來描述.在室溫疲勞變形過程中，Inconel 625合金會發生循環硬化和循環軟化.合金的低周疲勞裂紋以穿晶方式萌生于疲勞試樣的自由表面，并以穿晶方式擴展.

Inconel 625合金；室溫；低周疲勞；疲勞壽命；位錯；孿晶界；循環應力響應；失效形式

由于在650～1 000℃范圍內具有較高的強度與良好的抗氧化能力[1]，鎳基高溫合金不僅可以用于制造航空發動機和火箭發動機，而且在能源領域的應用也十分廣泛[2-4].我國的高溫合金發展經歷了起始階段、提高階段和新發展階段[5].

Inconel 625合金是以Mo、Nb為主要強化元素，在650℃以下具有高強度、高韌性與良好的抗氧化和抗腐蝕性的固溶強化鎳基變形合金[6-7].Inconel 625合金在高溫下能夠在較短時間內完成變形，從而獲得滿足使用要求的管坯[8].由于在柱狀晶粒周圍聚集的共晶體具有熔點低、強度低和脆性大的缺點，因此，Inconel 625合金在焊接時極易形成熱裂紋[9].同時，Inconel 625合金以奧氏體組織為基體，該合金具有非常復雜的相組成.在Inconel 625合金中，除了基體γ相以外，在不同條件下存在于合金中的第二相主要包括γ″-Ni3Nb相、γ′-Ni3(Al，Ti，Nb)相與平衡δ相.其中，Inconel 625合金中的主要強化相為γ″相；由于δ相與基體具有非共格關系，因而能夠起到一定的彌散強化作用[10].由于具有良好的組織穩定性與可靠的使用性能，Inconel 625合金已經廣泛應用于航空、航天、石油、化工和艦船等領域.在較高應力的作用下，Inconel 625合金構件的局部區域會在服役過程中產生塑性變形，導致Inconel 625合金的使用壽命受到了不利影響[11-13].因此，針對Inconel 625合金的穩定性能與低周疲勞性能的研究受到了越來越多的關注.

本文主要研究了Inconel 625合金的室溫低周疲勞性能，對Inconel 625合金的循環應力響應行為、應變幅-載荷反向周次關系與循環應力-應變關系進行了分析，以期為該類合金構件的抗疲勞設計提供可靠的理論依據.

1　材料與方法

Inconel 625合金的化學成分如表1所示.在低周疲勞實驗中，所采用的疲勞試樣的幾何尺寸如圖 1所示(單位：mm).

表1　Inconel 625合金的化學成分(w)

圖1　疲勞試樣的幾何尺寸

利用SiC砂紙對疲勞試樣表面進行仔細的研磨，從而有效去除Inconel 625合金表面因加工缺陷而產生的劃痕.利用MTS-674型疲勞實驗機進行低周疲勞實驗.在低周疲勞實驗中，采用了軸向拉-壓全反向總應變幅控制模式；名義總應變幅范圍介于0.4%～1.2%之間；應變比為-1，循環頻率為0.5 Hz.所有的疲勞實驗均需要進行到循環應力幅下降到整個疲勞變形過程中所達到的應力幅峰值的80%為止，并將此時的循環周次定義為疲勞壽命.

利用SYJ-150A型低速金剛石切割機在距離疲勞試樣斷口表面約1 mm處，沿著垂直加載方向切取厚約0.5 mm的薄片.分別利用1000#、1500#和2000#砂紙對薄片進行研磨，直至其厚度下降到50 μm左右為止.利用TenuPol-5型雙噴電解減薄儀對經過研磨后的薄片進行最終減薄.其中，電解液選用高氯酸酒精溶液；實驗溫度為-20℃；實驗電壓為30 V.利用JEM-2100型透射電子顯微鏡對經過最終減薄的薄片進行微觀組織觀察.此外，利用S-3400N型掃描電子顯微鏡對疲勞試樣的斷口形貌進行觀察與分析.

2　結果及分析

2.1循環應力響應行為

Inconel 625合金在室溫下的循環應力響應曲線如圖2所示.由圖2可知，在實驗所采用的所有外加總應變幅下，Inconel 625合金在低周疲勞變形前期的循環應力幅均隨著循環周次的增加而逐漸增加，即合金發生了循環應變硬化.當循環應力幅達到最高值后，隨著循環周次的繼續增加，Inconel 625合金的循環應力幅開始逐漸降低，即合金呈現出循環應變軟化行為.由圖2還可以觀察到，當外加總應變幅(Δεt/2)為0.4%時，Inconel 625合金的循環應變軟化程度相對較低.

圖2　Inconel 625合金的循環應力響應曲線

2.2低周疲勞壽命行為

一般而言，在低周疲勞加載條件下，材料的疲勞壽命與彈性應變幅(Δεe/2)和塑性應變幅(Δεp/2)之間的關系分別服從Basquin和Coffin-Manson公式，即

(1)

(2)

圖3為Inconel 625合金在室溫下進行低周疲勞變形時，其應變幅與斷裂時的載荷反向周次(2Nf)之間的關系曲線.由圖3可知，室溫下Inconel 625合金的彈性應變幅(Δεe/2)和塑性應變幅(Δεp/2)與斷裂時的載荷反向周次(2Nf)之間均呈現線性關系.因此，可以分別采用Basquin和Coffin-Manson公式來對該關系進行描述.

圖3　Inconel 625合金的應變幅-載荷反向周次關系

2.3循環應力-應變行為

通常采用循環應力-應變曲線來表征材料的循環應力-應變行為.循環應力-應變曲線能夠反映出材料在低周疲勞條件下的真實應力-應變特性.材料的循環應力-應變之間的關系可以表示為

Δσ/2=K′(Δεp/2)n′

(3)

式中：Δσ/2為循環應力幅；K′為循環強度系數；n′為循環應變硬化指數.

圖4為Inconel 625合金在室溫下進行低周疲勞變形時的循環應力-應變曲線.由圖4可見，Inconel 625合金的循環應力幅和塑性應變幅之間呈現雙斜率線性行為.

圖4　Inconel 625合金的循環應力-應變曲線

采用線性回歸分析方法對圖3、4中的實驗數據加以分析后，即可計算出Inconel 625合金的各個應變疲勞參數，具體結果如表2所示.

表2　Inconel 625合金的應變疲勞參數

2.4低周疲勞斷裂行為

圖5為當外加應變幅為0.8%時，Inconel 625合金在室溫下進行低周疲勞實驗后的斷口形貌.由圖5a可知，合金的低周疲勞裂紋主要以穿晶方式萌生于疲勞試樣的自由表面(箭頭所指處)，且低周疲勞裂紋早期也是以穿晶方式進行擴展的.在疲勞裂紋的穩定擴展區，可以觀察到非常清晰的塑性疲勞條帶，且塑性疲勞條帶的寬度還會隨著疲勞裂紋的進一步擴展而有所增大(見圖5b、c).因而可以進一步證實，Inconel 625合金在室溫下進行低周疲勞變形時，疲勞裂紋是以穿晶方式進行擴展的.由圖5d可見，在疲勞試樣的瞬斷區觀察到了明顯的韌窩形貌.

2.5疲勞變形后的微觀組織

如前所述，當Inconel 625合金在室溫下進行低周疲勞變形時，合金在疲勞變形前期表現為循環應變硬化，而在疲勞變形后期則呈現出循環應變軟化行為.實際上，位錯和晶體缺陷間的交互作用、位錯組態與材料的塑性變形行為均對合金的循環應力響應行為具有重要的影響[14].因此，可以從疲勞變形過程中位錯與位錯、位錯與界面之間產生的相互作用，以及位錯組態的演化角度來解釋Inconel 625合金的循環應力響應行為.

圖6為Inconel 625合金微觀組織的TEM圖像.在Inconel 625合金的循環變形過程中，位錯與孿晶界之間可以發生強烈的交互作用，可以有效阻礙位錯的進一步運動，從而明顯降低了可動位錯的數量，進而使得大量位錯塞積于孿晶界處(見圖6a).另外，在合金的疲勞變形過程中，位錯與位錯之間可以發生強烈的交互作用，從而形成了位錯纏結、位錯鎖等復雜的位錯組態(見圖6b)，這些復雜的位錯組態對后續位錯的運動起到了有效的阻礙作用.因此，Inconel 625合金在疲勞變形前期呈現出循環應變硬化現象.然而，隨著循環周次的逐漸增加，合金的位錯重構使得位錯組態開始變得簡單，且此時位錯分布也較為均勻(見圖6c)，從而減小了位錯的運動阻力，因而Inconel 625合金在疲勞變形后期發生了循環應變軟化.

圖5　Inconel 625合金疲勞斷口的SEM圖像

圖6　Inconel 625合金微觀組織的TEM圖像

3　結　論

通過以上實驗分析，可以得出如下結論：

1) 當Inconel 625合金在室溫下進行低周疲勞變形時，合金在疲勞變形前期呈現出循環應變硬化現象，而在疲勞變形后期呈現出循環應變軟化現象.

2) Inconel 625合金的彈性應變幅和塑性應變幅與斷裂時的載荷反向周次之間呈線性關系，且可分別用Basquin和Coffin-Manson公式進行描述.

3) 位錯與位錯之間，以及位錯與孿晶界之間的相互作用，使得Inconel 625合金在低周疲勞變形前期發生了循環應變硬化，而位錯重構導致合金在低周疲勞變形后期發生了循環應變軟化.

4) 當Inconel 625合金在室溫下進行低周疲勞變形時，低周疲勞裂紋以穿晶方式萌生于疲勞試樣的自由表面，并以穿晶方式進行擴展.

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(責任編輯：尹淑英英文審校：尹淑英)

Low cycle fatigue and fracture behavior of Inconel 625 alloy at room temperature

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)

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.

Inconel 625 alloy; room temperature; low-cycle fatigue; fatigue life; dislocation; twin boundary; cyclic stress response; failure mode

2015-12-09.

國家自然科學基金資助項目(51501117).

王媛媛(1990-)，女，遼寧沈陽人，碩士研究生，主要從事金屬材料組織與性能等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.09

TG 146.1

A

1000-1646(2016)02-0170-05

*本文已于2016-03-02 16∶45在中國知網優先數字出版.網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1645.036.html