Incoloy 825合金在拉/壓應變保時下循環變形行為

李 鋒， 霍蕭冉， 陳立佳

(沈陽工業大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870)

1 材料及方法

實驗材料為Incoloy 825合金，其化學成分如表1所示.循環變形試樣的幾何尺寸如圖1所示(單位：mm)，試樣厚度為12 mm.

表1 合金的化學成分(w)Tab.1 Chemical composition of alloy(w) %

圖1 循環變形試樣的幾何尺寸Fig.1 Geometry of specimen for cyclic deformation

圖2 拉伸和壓縮應變循環波形示意圖Fig.2 Schematic diagrams of waveforms during tensile and compression strain cycles

利用JEM-2100型透射電子顯微鏡對變形后Incoloy 825合金的TEM樣品進行微觀結構觀察與

分析.此外，采用S-3400N型掃描電子顯微鏡對典型試樣斷口進行觀察，以明確Incoloy 825合金在不同應變循環波形下的裂紋萌生與擴展模式.

2 結果與分析

2.1 循環應力響應行為

圖3為Incoloy 825合金在不同條件下的循環應力響應曲線.

圖3 不同波形下合金的循環應力響應曲線Fig.3 Cyclic stress response curves of alloy under different waveforms

由圖3a可知，在拉伸應變保時循環下當Δεt/2為0.3%時，合金發生先循環硬化后循環軟化行為；當Δεt/2為0.4%和0.5%時，在整個循環變形期間合金持續硬化直至斷裂.當Δεt/2為0.6%和0.7%時，合金則呈現為先循環硬化后循環穩定行為.由圖3b可知，在壓縮應變保時循環下當Δεt/2為0.3%和0.4%時，在整個循環過程中合金表現為循環硬化行為，其硬化持續周次與拉伸應變保時循環時相比略長；當Δεt/2為0.5%、0.6%和0.7%時，合金在循環變形初期發生循環硬化，且當Δεt/2≥0.6%時，其初始硬化持續周次與拉伸應變保時循環時相比略長，隨后達到一定循環周次后合金的循環應力幅值不再隨著循環周次的增加而改變，此時合金發生循環穩定，這是因為合金在循環硬化之后出現一個短暫的穩定應力響應階段.結合圖3b可知，當Δεt/2≥0.6%時，壓縮應變保時循環下合金穩定應力響應階段的開始周次大于拉伸應變保時循環，但其持續周次與拉伸應變保時循環相比略短.

2.2 循環變形微觀結構

圖4為拉伸應變保時循環下Incoloy 825合金循環變形斷裂后的位錯組態.由圖4a可見，當Δεt/2為0.4%時，合金內位錯分布集中，位錯線呈彎曲狀態，在合金中可清晰地觀察到位錯纏結，這些位錯纏結有效阻礙了位錯運動，故在此種加載條件下合金發生循環硬化.由圖4b可見，當Δεt/2為0.6%時，合金內部位錯密度較高，且存在清晰的位錯纏結，這會阻塞位錯運動.由圖4c可見，合金內盡管存在位錯塞積，但其所占比例較小，大部分區域的位錯呈現均勻分布，且位錯密度與圖4b相比較低，同時可觀察到由平直位錯線組成的位錯陣列，其位錯組態較為簡單.在此條件下位錯不斷增殖的同時伴隨著位錯的湮沒，這相當于異號位錯在運動期間彼此遇見而后消失，進而促使變形期間的位錯滑移阻力減小，致使位錯滑移所需的外加應力減少，由此產生循環軟化.綜上所述，該合金在變形末期呈現出的循環穩定狀態可以認為是位錯增殖產生的硬化效應與位錯湮沒所引起的軟化效應彼此抵消而形成的一種狀態.

圖4 合金在拉伸應變保時下的位錯組態Fig.4 Dislocation configurations of alloy under tensile strain and load-holding

圖5為壓縮應變保時循環下合金循環變形斷裂后的位錯組態.由圖5a可見，當Δεt/2為0.4%時，合金內部產生大量位錯，此種高密度位錯在運動期間彼此間會出現交互作用的現象，從而形成位錯纏結，進而成為位錯進一步運動時所不可逾越的障礙，致使位錯可動性降低，故在此加載條件下合金在整個循環變形期間均呈現為循環硬化.由圖5b可以觀察到，當Δεt/2為0.6%時，合金中位錯分布密集且具有位錯纏結，其成為位錯進一步運動的障礙，導致循環硬化，此外，相互平行的位錯墻也存在于合金中，呈現典型的平面滑移特征.由圖5c可見，合金中存在平行的位錯線，且位錯組態較為簡單，位錯分布較為均勻，故在此加載條件下合金在循環變形后期發生了循環穩定.

圖5 合金在壓縮應變保時下的位錯組態Fig.5 Dislocation configurations of alloy under compression strain and load-holding

由前述分析可知，無論是在拉伸還是壓縮應變保時循環變形條件下，Incoloy 825合金的循環變形機制均為平面滑移機制.

2.3 壽命行為

表2為合金在不同應變幅下不同波形所對應的壽命值.由表2可見，當外加總應變幅度相同時，合金在壓縮應變保時循環下的壽命與拉伸應變保時循環相比略高，即壓縮應變保時循環變形對合金的損傷小于拉伸應變保時循環所造成的損傷.

表2 合金在不同應變幅和波形下的壽命值Tab.2 Life values of alloy under different strain amplitudes and waveforms

總應變幅Δεt/2由塑性應變幅Δεp/2和彈性應變幅Δεe/2構成，即

Δεt/2=Δεp/2+Δεe/2=

式中：2Nf、ε′f、c、σ′f、b和E分別為合金循環至斷

裂時的載荷反向周次、疲勞延性系數、疲勞延性指數、疲勞強度系數、疲勞強度指數與楊氏模量.

圖6為不同應變循環波形下Incoloy 825合金的Δεp/2、Δεe/2和Δεt/2與2Nf之間的關系曲線.

圖6 合金的應變幅與壽命曲線Fig.6 Curves of strain amplitude versus fatigue life of alloy

由圖6可見，兩種波形下合金的Δεp/2和2Nf及Δεe/2和2Nf間均呈線性關系，Δεp/2和Δεe/2可通過半壽命時的循環滯后回線確定.利用圖6中Δεp/2和Δεe/2與2Nf之間的關系曲線，通過線性回歸處理可得到Incoloy 825合金的應變疲勞參數，結果如表3所示.由表3可知，壓縮應變保時循環下合金的σ′f值和ε′f值與拉伸應變保時循環下相比均較高，而合金的c值和b值與拉伸應變保時循環下相比則較低.

表3 合金的應變疲勞參數Tab.3 Strain fatigue parameters of alloy

2.4 斷口形貌

圖7為Incoloy 825合金在不同波形及外加總應變幅下疲勞源區的SEM形貌.由圖7可觀察到，合金的裂紋主要通過穿晶模式在試樣的自由表面(箭頭所指處)萌生，且存在放射狀紋理.不同波形下當外加總應變幅較高時，在試樣的斷口表面存在兩個或兩個以上的疲勞裂紋萌生部位，此時合金發生多源疲勞斷裂.

圖7 合金的裂紋萌生區形貌Fig.7 Morphologies of alloy in crack initiation sites

圖8為不同波形及不同應變幅下Incoloy 825合金的裂紋擴展區SEM形貌.圖8a中合金的裂紋擴展區與圖8b相比略為平整，且均可觀察到清晰的疲勞條帶及少量二次裂紋，說明合金在此條件下的裂紋擴展方式均為穿晶型.圖8c、d中合金的擴展模式并未發生改變，可觀察到非常清晰的疲勞條帶，亦能觀察到二次裂紋，說明外加總應變幅的大小對裂紋擴展方式無影響.通過迪比分析可知，圖8c中二次裂紋數量高于圖8d，因而合金的拉伸應變保時循環壽命較低.此外，隨著外加總應變幅的增加，二次裂紋數量有所增加，故而合金壽命有所降低.

圖8 合金的裂紋擴展區形貌Fig.8 Morphologies of alloy in crack propagation regions

3 結 論

通過以上實驗分析可得到如下結論：

1) 拉伸應變保時循環變形時，Incoloy 825合金在Δεt/2為0.3%下呈現先循環硬化后循環軟化，而在其他應變幅下呈現循環硬化或先循環硬化后循環穩定；壓縮應變保時循環變形時，合金在低應變幅下呈現循環硬化，在高應變幅下則表現為先循環硬化后循環穩定.

2) 與拉伸應變保時循環相比，Incoloy 825合金在壓縮應變保時循環下的壽命較長，且合金壽命隨著應變幅的增加而明顯降低.

3) 兩種應變保時循環波形下，Incoloy 825合金的變形機制均為平面滑移，合金中的裂紋萌生與擴展均為穿晶型，且在裂紋擴展區出現清晰的疲勞條帶.