王媛媛，陳立佳，王寶森，張思倩

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；2.寶鋼股份研究院 焊接與表面技術(shù)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(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；2.寶鋼股份研究院 焊接與表面技術(shù)研究所，上海 201900)

為了對(duì)Inconel 625合金構(gòu)件的抗疲勞設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)，在室溫下對(duì)Inconel 625合金進(jìn)行了軸向總應(yīng)變幅控制的低周疲勞實(shí)驗(yàn)，分析了室溫下合金的應(yīng)變疲勞壽命和循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)而給出了合金的應(yīng)變疲勞參數(shù).采用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡對(duì)Inconel 625合金試樣進(jìn)行了斷口形貌分析和微觀組織觀察.結(jié)果表明，Inconel 625合金在室溫下的彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅與載荷反向周次的關(guān)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(huì)發(fā)生循環(huán)硬化和循環(huán)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(kuò)展.

Inconel 625合金；室溫；低周疲勞；疲勞壽命；位錯(cuò)；孿晶界；循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)；失效形式

由于在650～1 000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)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(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，而且在能源領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛[2-4].我國(guó)的高溫合金發(fā)展經(jīng)歷了起始階段、提高階段和新發(fā)展階段[5].

Inconel 625合金是以Mo、Nb為主要強(qiáng)化元素，在650℃以下具有高強(qiáng)度、高韌性與良好的抗氧化和抗腐蝕性的固溶強(qiáng)化鎳基變形合金[6-7].Inconel 625合金在高溫下能夠在較短時(shí)間內(nèi)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(diǎn)低、強(qiáng)度低和脆性大的缺點(diǎn)，因此，Inconel 625合金在焊接時(shí)極易形成熱裂紋[9].同時(shí)，Inconel 625合金以?shī)W氏體組織為基體，該合金具有非常復(fù)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(qiáng)化相為γ″相；由于δ相與基體具有非共格關(guān)系，因而能夠起到一定的彌散強(qiáng)化作用[10].由于具有良好的組織穩(wěn)定性與可靠的使用性能，Inconel 625合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工和艦船等領(lǐng)域.在較高應(yīng)力的作用下，Inconel 625合金構(gòu)件的局部區(qū)域會(huì)在服役過程中產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致Inconel 625合金的使用壽命受到了不利影響[11-13].因此，針對(duì)Inconel 625合金的穩(wěn)定性能與低周疲勞性能的研究受到了越來越多的關(guān)注.

本文主要研究了Inconel 625合金的室溫低周疲勞性能，對(duì)Inconel 625合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為、應(yīng)變幅-載荷反向周次關(guān)系與循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了分析，以期為該類合金構(gòu)件的抗疲勞設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù).

1　材料與方法

Inconel 625合金的化學(xué)成分如表1所示.在低周疲勞實(shí)驗(yàn)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(xué)成分(w)

圖1　疲勞試樣的幾何尺寸

利用SiC砂紙對(duì)疲勞試樣表面進(jìn)行仔細(xì)的研磨，從而有效去除Inconel 625合金表面因加工缺陷而產(chǎn)生的劃痕.利用MTS-674型疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低周疲勞實(shí)驗(yàn).在低周疲勞實(shí)驗(yàn)中，采用了軸向拉-壓全反向總應(yīng)變幅控制模式；名義總應(yīng)變幅范圍介于0.4%～1.2%之間；應(yīng)變比為-1，循環(huán)頻率為0.5 Hz.所有的疲勞實(shí)驗(yàn)均需要進(jìn)行到循環(huán)應(yīng)力幅下降到整個(gè)疲勞變形過程中所達(dá)到的應(yīng)力幅峰值的80%為止，并將此時(shí)的循環(huán)周次定義為疲勞壽命.

利用SYJ-150A型低速金剛石切割機(jī)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(duì)薄片進(jìn)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(duì)經(jīng)過研磨后的薄片進(jìn)行最終減薄.其中，電解液選用高氯酸酒精溶液；實(shí)驗(yàn)溫度為-20℃；實(shí)驗(yàn)電壓為30 V.利用JEM-2100型透射電子顯微鏡對(duì)經(jīng)過最終減薄的薄片進(jìn)行微觀組織觀察.此外，利用S-3400N型掃描電子顯微鏡對(duì)疲勞試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察與分析.

2　結(jié)果及分析

2.1循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為

Inconel 625合金在室溫下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線如圖2所示.由圖2可知，在實(shí)驗(yàn)所采用的所有外加總應(yīng)變幅下，Inconel 625合金在低周疲勞變形前期的循環(huán)應(yīng)力幅均隨著循環(huán)周次的增加而逐漸增加，即合金發(fā)生了循環(huán)應(yīng)變硬化.當(dāng)循環(huán)應(yīng)力幅達(dá)到最高值后，隨著循環(huán)周次的繼續(xù)增加，Inconel 625合金的循環(huán)應(yīng)力幅開始逐漸降低，即合金呈現(xiàn)出循環(huán)應(yīng)變軟化行為.由圖2還可以觀察到，當(dāng)外加總應(yīng)變幅(Δεt/2)為0.4%時(shí)，Inconel 625合金的循環(huán)應(yīng)變軟化程度相對(duì)較低.

圖2　Inconel 625合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)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(yīng)變幅(Δεe/2)和塑性應(yīng)變幅(Δεp/2)之間的關(guān)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(jìn)行低周疲勞變形時(shí)，其應(yīng)變幅與斷裂時(shí)的載荷反向周次(2Nf)之間的關(guān)系曲線.由圖3可知，室溫下Inconel 625合金的彈性應(yīng)變幅(Δεe/2)和塑性應(yīng)變幅(Δεp/2)與斷裂時(shí)的載荷反向周次(2Nf)之間均呈現(xiàn)線性關(guān)系.因此，可以分別采用Basquin和Coffin-Manson公式來對(duì)該關(guān)系進(jìn)行描述.

圖3　Inconel 625合金的應(yīng)變幅-載荷反向周次關(guān)系

2.3循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變行為

通常采用循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線來表征材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變行為.循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠反映出材料在低周疲勞條件下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變特性.材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變之間的關(guān)系可以表示為

Δσ/2=K′(Δεp/2)n′

(3)

式中：Δσ/2為循環(huán)應(yīng)力幅；K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)；n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù).

圖4為Inconel 625合金在室溫下進(jìn)行低周疲勞變形時(shí)的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由圖4可見，Inconel 625合金的循環(huán)應(yīng)力幅和塑性應(yīng)變幅之間呈現(xiàn)雙斜率線性行為.

圖4　Inconel 625合金的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

采用線性回歸分析方法對(duì)圖3、4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以分析后，即可計(jì)算出Inconel 625合金的各個(gè)應(yīng)變疲勞參數(shù)，具體結(jié)果如表2所示.

表2　Inconel 625合金的應(yīng)變疲勞參數(shù)

2.4低周疲勞斷裂行為

圖5為當(dāng)外加應(yīng)變幅為0.8%時(shí)，Inconel 625合金在室溫下進(jìn)行低周疲勞實(shí)驗(yàn)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(jìn)行擴(kuò)展的.在疲勞裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)，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(huì)隨著疲勞裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展而有所增大(見圖5b、c).因而可以進(jìn)一步證實(shí)，Inconel 625合金在室溫下進(jìn)行低周疲勞變形時(shí)，疲勞裂紋是以穿晶方式進(jìn)行擴(kuò)展的.由圖5d可見，在疲勞試樣的瞬斷區(qū)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(dāng)Inconel 625合金在室溫下進(jìn)行低周疲勞變形時(shí)，合金在疲勞變形前期表現(xiàn)為循環(huán)應(yīng)變硬化，而在疲勞變形后期則呈現(xiàn)出循環(huán)應(yīng)變軟化行為.實(shí)際上，位錯(cuò)和晶體缺陷間的交互作用、位錯(cuò)組態(tài)與材料的塑性變形行為均對(duì)合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為具有重要的影響[14].因此，可以從疲勞變形過程中位錯(cuò)與位錯(cuò)、位錯(cuò)與界面之間產(chǎn)生的相互作用，以及位錯(cuò)組態(tài)的演化角度來解釋Inconel 625合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)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(huán)變形過程中，位錯(cuò)與孿晶界之間可以發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用，可以有效阻礙位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，從而明顯降低了可動(dòng)位錯(cuò)的數(shù)量，進(jìn)而使得大量位錯(cuò)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(cuò)與位錯(cuò)之間可以發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用，從而形成了位錯(cuò)纏結(jié)、位錯(cuò)鎖等復(fù)雜的位錯(cuò)組態(tài)(見圖6b)，這些復(fù)雜的位錯(cuò)組態(tài)對(duì)后續(xù)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)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(xiàn)出循環(huán)應(yīng)變硬化現(xiàn)象.然而，隨著循環(huán)周次的逐漸增加，合金的位錯(cuò)重構(gòu)使得位錯(cuò)組態(tài)開始變得簡(jiǎn)單，且此時(shí)位錯(cuò)分布也較為均勻(見圖6c)，從而減小了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力，因而Inconel 625合金在疲勞變形后期發(fā)生了循環(huán)應(yīng)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(jié)　論

通過以上實(shí)驗(yàn)分析，可以得出如下結(jié)論：

1) 當(dāng)Inconel 625合金在室溫下進(jìn)行低周疲勞變形時(shí)，合金在疲勞變形前期呈現(xiàn)出循環(huán)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，而在疲勞變形后期呈現(xiàn)出循環(huán)應(yīng)變軟化現(xiàn)象.

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

3) 位錯(cuò)與位錯(cuò)之間，以及位錯(cuò)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(fā)生了循環(huán)應(yīng)變硬化，而位錯(cuò)重構(gòu)導(dǎo)致合金在低周疲勞變形后期發(fā)生了循環(huán)應(yīng)變軟化.

4) 當(dāng)Inconel 625合金在室溫下進(jìn)行低周疲勞變形時(shí)，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(jìn)行擴(kuò)展.

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51501117).

王媛媛(1990-)，女，遼寧沈陽(yáng)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(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1645.036.html