高温合金裂纹扩展速率与材料特征的关联性研究

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裂纹扩展速率是高温合金涡轮盘的重要使用性能,也是涡轮盘损伤容限设计和寿命预测的重要指标之一。现有的研究大多集中在单一因素或单一条件对裂纹扩展速率的影响,缺乏多因素的综合性和关联性分析。为建立接近服役条件下综合多种因素与裂纹扩展速率的关联性,本文通过FGH95、FGH96、FGH97、U720LI等高温合金接近使用温度不同保载时间的裂纹扩展速率实验,结合显微组织和断口分析研究其断裂行为,分析了微观组织因素和力学性能因素与裂纹扩展速率的关联性,探讨了晶粒尺寸、晶界碳化物、γ相及相互之间多种因素综合作用下裂纹扩展速率的变化规律,提出了表征高温合金抗裂纹扩展能力的力学性能综合参数。旨在通过显微组织和力学性能的综合控制,为高损伤容限型合金设计提供理论指导。   通过系统分析裂纹扩展速率及裂纹长度与断裂周次曲线,提出了稳态扩展比例P和萌生比例P*的概念,二者可较好分析不同高温合金裂纹稳态扩展阶段和萌生阶段在断裂周次中所占的比例,不同高温合金可根据P/P*曲线的斜率直观判断合金抗裂纹扩展能力。同时,分析了Pairs公式中C和m值与裂纹扩展激活能的关联性,求得多种高温合金裂纹扩展激活能,评价裂纹扩展难易程度,进一步用裂纹扩展叠加法则得到了不同保载时间裂纹扩展过程中蠕变和疲劳表达式及参数对其影响规律。   系统研究了裂纹扩展速率与微观组织的关联性,分析了裂纹扩展速率与晶粒尺寸、固溶温度、晶界碳化物及γ相的综合作用的变化趋势。结果表明,为了获得高的抗裂纹扩展能力,在认识了各组织因素互关联影响规律基础上,还需要平衡晶内和晶界强化影响因素的综合作用,两者之间存在抗裂纹扩展能力的最佳范围。进而,对裂纹扩展速率与力学性能的关联性进行了系统研究,提出了力学性能综合参数W=-σ2s/(1-ψ)σbE,该参数可较好表征多种高温合金抗裂纹扩展的能力,也可适用于简单估计同种合金由于热处理工艺不同导致力学性能变化引起合金抗裂纹扩展能力的变化。分析表明,合金的抗裂纹扩展能力随力学性能综合参数的增加而增加。在本实验条件下,当力学性能综合参数达到0.004~0.006时,合金的抗裂纹扩展能力最佳。   总之,本论文通过对多种高温合金裂纹扩展速率的系统实验研究,总结同种合金和多种合金中微观组织和力学性能与裂纹扩展速率的变化规律,试图建立高温合金裂纹扩展综合影响程度的评判体系,为损伤容限型高温合金的设计和发展提供理论依据。
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