CN108491658B - 一种低循环疲劳寿命评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑GH4169合金微观组织影响的低循环疲劳寿命评估方法，步骤为：(1)开展标准圆棒试件的低循环疲劳试验，获取GH4169合金工况条件下的低循环疲劳寿命数据；(2)对标准件进行微观组织观测与表征，获取GH4169合金的晶粒尺寸；(3)借助图像处理软件获取GH4169合金的δ相含量，并将沿晶分布的δ相等效成具有一定宽度的晶界；(4)基于晶界能表达式，从能量的角度对Ostergren寿命模型进行改进，建立考虑合金微观组织影响的低循环疲劳寿命预测模型；(5)使用改进后的Ostergren模型，预测不同微观组织对应的GH4169合金低循环疲劳寿命，评估相应航空发动机部件的服役时间。

Description

一种低循环疲劳寿命评估方法
技术领域
本发明是一种考虑GH4169合金微观组织影响的低循环疲劳寿命评估方法，它是一种能够考虑航空发动机GH4169合金微观组织影响的低循环疲劳寿命评估方法，属于航空航天发动机技术领域。
背景技术
镍基高温合H4169凭借其在650℃下高屈服强度、良好塑性的特点，常常用于航空发动机涡轮盘、高压压气机盘等盘件的制备。航空发动机盘件的工作环境十分恶劣，在反复载荷的作用下容易发生低循环疲劳失效。而盘件加工过程中不可避免地导致不同部位材料微观组织存在差异，从而导致疲劳寿命的分散性。目前，针对航空发动机轮盘低循环疲劳失效问题，传统的寿命预测模型很少考虑微观组织的影响。
现有文献“Merrick H F.The low cycle fatigue of three wrought nickel-base alloys[J].Metallurgical Transactions,1974,5(4):891-897”采用不同热处理工艺获得了晶粒尺寸不同的镍基Inconel 718合金，通过研究其疲劳性能发现晶粒尺寸较大的合金低循环疲劳寿命较低，相反，晶粒尺寸较小的合金低循环疲劳寿命较高，但未给出晶粒尺寸和低循环疲劳寿命之间的定量关系，在评估低循环疲劳寿命时尚不能考虑晶粒尺寸的影响。
现有文献“曾旭.δ相对镍基高温合金GH4169低周疲劳行为的影响[D].上海：华东理工大学，2015”通过不同的热处理工艺得到δ相含量、分布不同的GH4169合金，在较低应变幅下(Δεt/2＝0.5％)具有沿晶分布的、δ相含量较高的标准件，低循环疲劳寿命越长，但未给出δ相含量和疲劳寿命之间的定量关系，在评估低循环疲劳寿命时尚不能考虑δ相含量的影响。
总之，现有技术针对GH4169合金进行低循环疲劳寿命评估时，尚未考虑晶粒尺寸和δ相含量等微观组织的影响，针对具有不同晶粒尺寸或δ相含量的GH4169合金而言，现有技术的低循环疲劳寿命评估能力有限。
发明内容
本发明技术解决方案：克服现有低循环疲劳寿命评估方法的不足，提供一种考虑GH4169合金微观组织影响的低循环疲劳寿命评估方法，能够充分地反映晶粒尺寸、δ相含量对合金疲劳性能的影响，实现了用同一表达式评估不同微观组织的GH4169合金的低循环疲劳寿命，提高了低循环疲劳寿命评估能力。
本发明技术解决方案：一种考虑GH4169合金微观组织影响的低循环疲劳寿命评估方法，结合微观组织观测与表征分析结果，设计能够反映晶粒尺寸和δ相含量影响Ostergren寿命模型，建立了微观组织和低循环寿命之间的定量关系，实现了考虑微观组织影响的低循环疲劳寿命评估，实现步骤如下：
第一步，开展标准圆棒试件的低循环疲劳试验，获取GH4169合金工况条件下的低循环疲劳寿命数据。低循环疲劳寿命在600℃的高温下开展，在岛津液压伺服试验机(型号Shimadzu-EHF-EM100)上完成；采用轴向应变控制的加载方式，名义最大应变幅分别为εmax＝1％、εmax＝0.9％、εmax＝0.8％，应变比为Rε＝0.1，加载波形为正弦波，循环频率为0.3Hz。对所有试验件循环加载至其断裂失效，冷却取出并保存断口。试验机自动记录整个过程中的应力峰谷值，并通过高温引伸计获得试验件标距段的轴向应变。
第二步，对标准件进行微观组织观测与表征，获取GH4169合金的晶粒尺寸。使用切割机在疲劳失效试验件的断口附近切取长度为1cm的小试件，经过镶嵌、机械磨抛后，采用化学腐蚀的方法进行腐蚀，化学腐蚀剂由无水乙醇、盐酸和氯化铜配制而成。其中，无水乙醇和盐酸的体积比为1:1，100ml无水乙醇溶液对应5g氯化铜固体。采用光学显微镜对腐蚀后的试件微观组织进行观察；随机选取600倍放大倍数下的5个视场拍摄金相图；利用金相图，结合Image Pro Plus软件统计不同标准件的晶粒尺寸的大小。
第三步，借助图像处理软件获取GH4169合金的δ相含量，并将沿晶分布的δ相等效成具有一定宽度的晶界。在步骤二的基础上，采用扫描电镜对腐蚀后的试件微观组织进行观察；随机选取5000倍放大倍数下的5个视场拍摄金相图；利用金相图，结合Image ProPlus软件统计不同标准件的δ相含量。针对每一个试验件，选取任意面积S的晶面，则δ相等效后的晶界宽度bδ表达式如下：
其中，L为晶界总长度，S为任意晶面的面积，bδ为δ相等效后的晶界宽度，n和d分别为该晶面对应的δ相含量和晶粒尺寸，π为圆周率。
第四步，基于晶界能表达式，从能量的角度对Ostergren寿命模型进行改进，建立考虑合金微观组织影响的低循环疲劳寿命预测模型。晶界能表达式如下：
其中，γ为多晶体材料的总平均有效表面能，γg为单晶体的有效表面能，γg为晶界的平均界面能，b为晶界平均宽度，d为晶粒尺寸。Ostergren寿命模型表达式如下：
其中，ΔW为Ostergren参数，σmax为最大应力，Δεp为塑性应变范围，C和a是拟合参数。
第五步，使用改进后的Ostergren(拉伸迟滞能模型)模型，预测不同微观组织对应的GH4169合金低循环疲劳寿命，评估相应航空发动机部件的服役时间。改进后的Ostergren寿命模型表达式如下：
其中，Δεp为塑性应变范围，σmax为最大应力，bδ为δ相等效后的晶界宽度，d分别为晶粒尺寸，C、m和a是拟合参数。
本发明与现有技术有益效果在于：
现有文献“Merrick H F.The low cycle fatigue of three wrought nickel-base alloys[J].Metallurgical Transactions,1974,5(4):891-897”采用不同热处理工艺获得了晶粒尺寸不同的镍基Inconel 718合金，通过研究其低循环疲劳性能发现晶粒尺寸较大的合金低循环疲劳寿命较低，相反，晶粒尺寸较小的合金低循环疲劳寿命较高，但未给出晶粒尺寸和低循环疲劳寿命之间的定量关系，在评估低循环疲劳寿命时尚不能考虑晶粒尺寸的影响。现有文献“曾旭.δ相对镍基高温合金GH4169低周疲劳行为的影响[D].上海：华东理工大学，2015”通过不同的热处理工艺得到δ相含量、分布不同的GH4169合金，在较低应变幅下(Δεt/2＝0.5％)具有沿晶分布的、δ相含量较高的标准件，低循环疲劳寿命越长，但未给出δ相含量和疲劳寿命之间的定量关系，在评估低循环疲劳寿命时尚不能考虑δ相含量的影响。现有技术针对GH4169合金进行低循环疲劳寿命评估时，尚未考虑晶粒尺寸和δ相含量等微观组织的影响，针对具有不同晶粒尺寸或δ相含量的GH4169合金而言，现有技术的低循环疲劳寿命评估能力有限。
而本发明根据晶粒尺寸、δ相含量等微观组织对GH4169合金低循环疲劳寿命的影响，基于晶界能表达式的形式结合Ostergren寿命模型，建立了微观组织和低循环疲劳寿命的定量关系，对具有不同微观组织的GH4169合金实现了低循环疲劳寿命的预测与评估。
附图说明
图1为本发明的航空发动机用镍基高温合金GH4169低循环疲劳寿命的评估方法流程图；
图2为改进前的Ostergren寿命模型预测结果示意图；
图3为改进后的Ostergren寿命模型预测结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种航空发动机用镍基高温合金GH4169低循环疲劳寿命的评估方法的技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明涉及一种航空发动机用镍基高温合金GH4169低循环疲劳寿命的评估方法，实现步骤如下：
(1)开展标准圆棒试件的低循环疲劳试验，获取GH4169合金工况条件下的低循环疲劳寿命数据。低循环疲劳寿命在600℃的高温下开展，采用轴向应变控制的加载方式，在岛津液压伺服试验机(型号Shimadzu-EHF-EM100)上完成；名义最大应变幅分别为εmax＝1％、εmax＝0.9％、εmax＝0.8％，应变比为Rε＝0.1，加载波形为正弦波，循环频率为0.3Hz；通过试验机自动记录整个过程中的应力峰谷值，通过高温引伸计获得试验件标距段的轴向应变。
(2)对标准件进行微观组织观测与表征，获取GH4169合金的晶粒尺寸。使用切割机在疲劳失效试验件的断口附近切取长度为1cm的小试件，经过镶嵌、机械磨抛后，采用化学腐蚀的方法进行腐蚀，化学腐蚀剂由无水乙醇、盐酸和氯化铜配制而成。其中，无水乙醇和盐酸的体积比为1:1，100ml无水乙醇溶液对应5g氯化铜固体。采用光学显微镜对腐蚀后的试件微观组织进行观察；随机选取600倍放大倍数下的5个视场拍摄金相图；利用金相图，结合Image Pro Plus软件统计不同标准件的晶粒尺寸的大小。
(3)借助图像处理软件获取GH4169合金的δ相含量，并将沿晶分布的δ相等效成具有一定宽度的晶界。在步骤二的基础上，采用扫描电镜对腐蚀后的试件微观组织进行观察；随机选取5000倍放大倍数下的5个视场拍摄金相图；利用金相图，结合Image Pro Plus软件统计不同标准件的δ相含量。针对每一个试验件，选取任意面积S的晶面，则δ相等效后的晶界宽度bδ表达式如下：
其中，L为晶界总长度，S为任意晶面的面积，bδ为δ相等效后的晶界宽度，n和d分别为该晶面对应的δ相含量和晶粒尺寸，π为圆周率。
(4)基于晶界能表达式，从能量的角度对Ostergren寿命模型进行改进，建立考虑合金微观组织影响的低循环疲劳寿命预测模型。晶界能表达式如下：
其中，γ为多晶体材料的总平均有效表面能，γg为单晶体的有效表面能，γg为晶界的平均界面能，b为晶界平均宽度，d为晶粒尺寸。Ostergren寿命模型表达式如下：
其中，ΔW为Ostergren参数，σmax为最大应力，Δεp为塑性应变范围，C和a是拟合参数。
(5)使用改进后的Ostergren模型，预测不同微观组织对应的GH4169合金低循环疲劳寿命，评估相应航空发动机部件的服役时间。改进后的Ostergren寿命模型表达式如下：
其中，Δεp为塑性应变范围，σmax为最大应力，bδ为δ相等效后的晶界宽度，d分别为晶粒尺寸，C、m和a是拟合参数。试验参数Δεp、σmax、Nf和微观组织参数bδ、d作为输入，通过最小二乘法拟合计算出参数C、m、a作为输出。
如图2、图3所示，改进前和改进后的Ostergren寿命模型预测结果示意图，改进后的Ostergren寿命模型分散带减小，从7.9966倍降到了3.783倍，本发明的预测精度明显提高。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种考虑GH4169合金微观组织影响的低循环疲劳寿命评估方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)开展标准圆棒试件的低循环疲劳试验，获取GH4169合金工况条件下的低循环疲劳寿命数据；所述工况条件包括GH4169合金的工作温度和载荷条件；所述低循环疲劳寿命是指通过标准圆棒试件在不同载荷条件下疲劳试验得到的合金低循环疲劳寿命；
(2)对标准圆棒试件进行微观组织观测与表征，获取GH4169合金的晶粒尺寸；所述微观组织观测与表征是指针对低循环疲劳试验的每个标准圆棒试件开展金相试验，在光学显微镜下观察标准圆棒试件的微观组织，并在不同视场下随机获取金相图像；所述GH4169合金晶粒尺寸是指每个标准圆棒试件的平均晶粒尺寸；
(3)借助图像处理软件获取GH4169合金的δ相含量，并将沿晶分布的δ相等效成具有一定宽度的晶界；所述图像处理软件包括ImagePro Plus软件；所述δ相含量是指通过二维金相图获得的δ相面积分数；
(4)基于晶界能表达式，从能量的角度对Ostergren寿命模型进行改进，建立考虑合金微观组织影响的低循环疲劳寿命预测模型；所述晶界能是指合金的总平均有效表面能；所述Ostergren寿命模型描述了合金应变能和低循环疲劳寿命之间的关系；所述改进后的Ostergren寿命模型表达式如下：
其中，Δεp为塑性应变范围，σmax为最大应力，bδ为δ相等效后的晶界宽度，d分别为晶粒尺寸，C、m和a是拟合参数，Nf是试验参数，即低循环疲劳寿命；
(5)使用改进后的Ostergren寿命模型，预测不同微观组织对应的GH4169合金低循环疲劳寿命，评估相应航空发动机盘件的服役时间；所述改进后的Ostergren寿命模型是指考虑了微观组织影响的低循环疲劳寿命预测模型；所述不同微观组织包括晶粒尺寸和δ相含量；所述服役时间是指低循环疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的一种考虑GH4169合金微观组织影响的低循环疲劳寿命评估方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述载荷条件是根据GH4169合金工作状态下的应变范围设计的，名义最大应变幅分别为εmax＝1％、εmax＝0.9％、εmax＝0.8％，应变比为Rε＝0.1。
3.根据权利要求1所述的一种考虑GH4169合金微观组织影响的低循环疲劳寿命评估方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述金相试验试件取自低循环疲劳试验标准圆棒试件的断口处，经过镶嵌、机械磨抛后，采用化学腐蚀的方法进行腐蚀；腐蚀剂由无水乙醇、盐酸和氯化铜配制而成，其中，无水乙醇和盐酸的体积比为1:1，100ml无水乙醇溶液对应5g氯化铜固体。
4.根据权利要求1所述的一种考虑GH4169合金微观组织影响的低循环疲劳寿命评估方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述将沿晶分布的δ相等效成晶界宽度，晶界宽度的计算公式如下：
其中，L为晶界总长度，S为任意晶面的面积，bδ为δ相等效后的晶界宽度，n和d分别为该晶面对应的δ相含量和晶粒尺寸，π为圆周率。
5.根据权利要求1所述的一种考虑GH4169合金微观组织影响的低循环疲劳寿命评估方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述晶界能表达式如下：
其中，γ为多晶体材料的总平均有效表面能，γg为单晶体的有效表面能，γg为晶界的平均界面能，b为晶界平均宽度，d为晶粒尺寸。
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