Page 40 - 理化检验-物理分册2022年第四期

宋世杰, 等: 用直流电压降法研究高温下 GH3230 合金的疲劳裂纹扩展行为

室部件和其他高温环境中服役的零部件 [ 1 ] 。 采用断口定量反推的方法对得到的试验结果进行验
某型发动机的数台火焰筒气膜唇边和掺混孔均 证, 进一步分析了不同温度对材料裂纹扩展速率的
检测出了裂纹和掉块, 在飞行过程中可能会威胁飞 影响。采用扫描电子显微镜( SEM ) 观察断口, 分析
行安全, 严重影响发动机的使用寿命, 使发动机的大 了合金的断裂模式及损伤机理, 研究结果可为火焰
修周期显著缩短。发动机反复起动和停车使得火焰 筒的安全可靠应用和寿命预测提供试验基础和理论
筒承受大小、 方向随时间变化的循环交变载荷, 这是 支持。
引起火焰筒产生裂纹和掉块的主要原因 [ 2 ] 。为了保
1 试验方法
障航空发动机的服役安全, 研究火焰筒材料在服役
条件下的疲劳裂纹扩展行为具有重要意义, 而国内 1.1 化学成分分析及拉伸试验方法
目前针对 GH3230 合金高温裂纹扩展行为的 研究 从某型发动机燃烧室内机匣取样制成 GH3230
较少。 合金裂纹扩展试样, 成型工艺为锻造, 其合金成分如
笔者利用直流电压降 法 对 GH3230 合 金 开 展 表 1 所示。由表 1 可知, 与其他高温合金相比, 该

了 750 , 850 , 950 ℃ 下 的 疲 劳 裂 纹 扩 展 试 验, 得 到 GH3230 合金试样中加入了大量的钨元素, 钨元素
GH3230 合金稳定裂纹扩展区的 Paris拟合公式, 并 主要溶解于 γ基体中, 少量进入碳化物中。
表 1 试样的化学成分
质量分数 / %

C Cr Ni Co W Mo Al Ti Fe La B Si Mn S P Cu

0.15 24.00 余量 5.00 15.00 3.00 0.50 0.10 3.00 0.05 0.02 0.75 1.00 0.02 0.03 0.50
GH3230 合金试样的显微组织形 貌 如 图 1 所
示, 由图 1 可 知, 该 试 样 的 显 微 组 织 晶 粒 度 约 为
( 某类碳化物
6.5 级, 晶界处存在大量颗粒状 M 23 C 6
的总称), 有利于限制晶界迁移, 降低裂纹的延晶扩
展速率。
GH3230合金试样在 750~950 ℃ 下的拉伸试验

结果( 每个温度点测试7根试样, 取平均值) 如表2所

示。高温拉伸试验依照 HB5195 — 1996 《 金属高温拉

伸试验方法》 进行。由表 2 可知, 在 750~950 ℃ 下,
随着温度的升高, GH3230 合金的抗拉强度、 屈服强
度均减小, 断面收缩率、 断后伸长率均增大, 弹性模量

在750℃ 与 850 ℃ 时相差不大, 甚至在 850 ℃ 时更

大, 在950℃时的弹性模量明显减小, 表明在 950 ℃
时材料的刚度降低, 原子间结合力变弱。

表 2 GH3230 合金试样在 750~950 ℃ 下的拉伸试验结果
试验 抗拉强 断后伸 屈服强 断面收 弹性模

温度 / ℃ 度 / MPa 长率 / % 度 / MPa 缩率 / % 量 / GPa
图 1 GH3230 合金试样的显微组织形貌
750 525.0 73.2 259.9 54.3 143.0
种方法直观、 简单、 成本较低, 但是在高温下, 需采用
850 330.6 115.0 258.4 80.3 157.6 长焦距显微镜测量裂纹长度, 而试样表面的氧化程度
950 201.6 126.1 147.1 86.1 112.0 很高, 很难看清裂纹, 容易带来人为测量误差, 因此采
1.2 疲劳裂纹扩展试验方法 用直流电压降法对试样的裂纹长度进行测量。
疲劳裂纹扩展试样采用标准紧凑拉伸试样, 宽 直流电 压 降 法 测 量 裂 纹 长 度 ( DCPD ) 的 原 理
为: 在试样的两端施加高稳定、 高精度的恒定电流,
度为 50mm , 厚度为 12.5 mm , 试样的宏观形貌如
图 2 所示。 使之在试样厚度方向上产生恒定的二维电场。在试
一般采用传统的显微镜来测量疲劳裂纹长度, 这 验过程中, 随着裂纹的扩展, 导通截面不断缩小, 电
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