Page 41 - 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

于稳态扩展区, 通常用来表征稳态扩展阶段的疲劳
裂纹扩展速率, 如式( 4 ) 所示。
n
d a / dN =C ( ΔK ) ( 4 )
式中: C , n 为拟合常数; N 为循环次数。
采用割线法对裂纹扩展试验数据进行处理, 以
确定裂纹扩展速率, 采用 Paris 公式对裂纹扩展速
率进行拟合, 得到 GH3230 合金在不同温度下稳态
扩展阶段的 d a / dN-ΔK 关系, 结果如表 3 所示。
图 2 疲劳裂纹扩展试样宏观形貌
表 3 不同温度下 GH3230 合金裂纹扩展性能参数
阻不断增加, 在恒定电流下, 裂纹面两端的电位或电
压降将随裂纹尺寸的增加而增加。利用裂纹面两端 试验 回归系数 da / dN 适用
C n
的电位差与裂纹扩展长度之间的函数关系, 将所测 温度 / ℃ r 2 范围 /( mm · 周 -1 )
-8 -5 -4
量的电位转换成等效的裂纹长度。对于紧凑拉伸试 750 1.24×10 3.3100 0.979 2.50×10 ~6×10
-7 -5 -4
样, 裂纹长度计算方法如式( 1 ) 所示。 850 1.30×10 2.6856 0.956 2.50×10 ~6×10
-8 3.7960 0.821 2.50×10 -5 ~2.50×10 -4
950
1.04×10

2 π Z
a / w = -arctan 1-Z ( 1 )
π 2 2 对比不同温度下的疲劳裂纹扩展速率可知, 随

其中
着温度的升高, 裂纹扩展速率越来越大, 抗裂纹扩展
2 Yπ 2Yπ
4w -
4w
e +e 能力降低。这是由于在裂纹扩展过程中, 随着温度
Z = ( U*X ) - ( U*X ) ( 2 )
e +e 的升高, 材料的屈服强度下降, 同样外载荷下裂纹前
X = 沿的塑性变形增加, 循环载荷下裂纹塑性区内的变

2Yπ 2Yπ 2Yπ 2Yπ 形增大了裂纹的扩展速率。另外, 温度越高, 晶界间
4W
4W
4W
4W
+e e +e 2
e

ln - - 的结合力减小, 也会增大疲劳裂纹的扩展速率。
a 0 π + a 0 π
2cos 2W 2cos 2W -1 从裂纹扩 展 速 率 的 增 加 幅 度 看, 从 750 ℃ 到

( 3 ) 850 ℃ , 随着 Δ K 的不断增大, 裂纹扩展 速 率 的 差

式中: a 为试样的裂纹长度; W 为试样宽度; U 为当 距逐渐减小; 当温度从 850 ℃ 升高到 950 ℃ 时, 两
前试样裂纹面两端的电位; 2Y 为裂纹面两端测量电 种材料的疲劳裂纹扩展速率在小应力强度因子下

为试样的初始裂纹长度。 差距 较 小, Δ K 越 大, 差 距 越 大。 从 750 ℃ 到
位点间的距离; a 0

依据标准 GB / T6398 — 2000 《 金属材料疲劳裂 850 ℃ , 由温度变化引起的其他损伤对裂纹扩展速

纹扩展速率试验方法》 的要求进行试 验, 试 验设备 率的影响更大, 从 850 ℃ 到 950 ℃ , 应力强度因子

为: MTSlandmark370 型 电 液 伺 服 疲 劳 试 验 机, 的变化对 疲 劳 裂 纹 扩 展 速 率 起 到 了 更 大 的 作 用,

Flextest40 型控制系统, MTSDCPD 型恒流源及电 在 950 ℃ 下, 屈 服 强 度 与 弹 性 模 量 的 急 速 减 小 会

压测量系统, 试验机载荷传感器精度为 0.5 级, 波形 增大裂纹扩展速率。

为正 弦 波, 频 率 为 10 Hz 。试 验 温 度 为 750 , 850 , GH3230 合金在不同温度下的裂纹扩展速率如

950 ℃ , 在每个温度下测试 3 个试样。 图3 所示, 由图 3 可知, 950 ℃ 下 GH3230 合金疲劳
2 试验数据处理及结果分析
2.1 疲劳裂纹扩展性能
疲劳裂纹扩展速率是反映有裂纹的构件抗疲劳
断裂性能的一个重要指标, 也是估算构件剩余疲劳
寿命必不可少的参数, 一般使用应力强度因子幅度
Δ K 来定量描述疲劳裂纹扩展速率。完整的疲劳裂
纹扩展速率曲线包括 3 部分: 近门槛区、 裂纹稳态扩

展区和裂纹快速扩展区( 瞬断区)。 Paris 公式适用 图 3 GH3230 合金在不同温度下的裂纹扩展速率
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