目前，運(yùn)用斷裂力學(xué)研究金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)針對(duì)的都是幾毫米，甚至是幾十毫米的“長(zhǎng)裂紋”。但是，由于近幾年損傷容限法則的建立，一些由疲勞失效控制的工程構(gòu)件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)和葉片，它們的設(shè)計(jì)要求必須了解小尺度（裂紋長(zhǎng)度從幾微米到2mm）疲勞裂紋（簡(jiǎn)稱小裂紋）的擴(kuò)展特征。美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)頒布的E647-00《疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)量標(biāo)志試驗(yàn)方法》規(guī)定：如果一條裂紋的所有幾何尺寸（對(duì)表面裂紋而言，同時(shí)包括它的長(zhǎng)度和深度）與相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)尺度、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)尺度或物理尺度相比都較小的話，則將其定義為“小裂紋”；而當(dāng)裂紋長(zhǎng)度達(dá)到材料的微觀結(jié)構(gòu)不足以影響其擴(kuò)展時(shí)，即裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)裂紋。最近越來(lái)越多的研究結(jié)果表明，當(dāng)裂紋名義驅(qū)動(dòng)力相同時(shí)，小裂紋的擴(kuò)展速率比長(zhǎng)裂紋的高得多，因此把針對(duì)長(zhǎng)裂紋的疲勞斷裂設(shè)計(jì)理論直接用于含小裂紋構(gòu)件的疲勞壽命設(shè)計(jì)，可能導(dǎo)致對(duì)其疲勞壽命的估計(jì)過(guò)高。

    隨著國(guó)產(chǎn)GH4169合金生產(chǎn)技術(shù)的日漸成熟和使用范圍的日益擴(kuò)大，研究其小裂紋的疲勞擴(kuò)展行為，能夠?yàn)閲?guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)提供重大幫助。目前，有關(guān)GH4169鎳基合金疲勞小裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)研究，尤其是晶粒尺寸對(duì)小裂紋擴(kuò)展的影響研究鮮有報(bào)道。為此，科研人員對(duì)GH4169鎳基高溫合金進(jìn)行了不同溫度固溶加雙級(jí)時(shí)效熱處理，研究了不同固溶溫度處理后的晶粒尺寸及力學(xué)性能以及晶粒尺寸對(duì)疲勞小裂紋擴(kuò)展行為的影響。

    試驗(yàn)材料為熱連軋GH4169鎳基高溫合金棒材，尺寸為Φ44mm×3000mm，晶粒度9～11，平均晶粒尺寸6μm，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為C0.82，Al0.44，Si0.18，Ti1.16，Cr19.55，F(xiàn)e18.93，Nb5.19，S0.003，Mo2.74，P0.005，余Ni。采用線切割機(jī)將合金棒材切割成尺寸為Φ16mm×140mm試樣和5mm×5mm×5mm的金相試樣，在不同的固溶溫度下進(jìn)行1h固溶處理，空冷，再進(jìn)行（720±5）℃×8h爐冷（冷速50℃ h-1）和（620±5）℃×8h空冷的雙級(jí)時(shí)效處理，固溶溫度分別為985、1010、1020、1035、1050℃。試驗(yàn)結(jié)果表明：

    （1）在不同溫度固溶和雙級(jí)時(shí)效處理后，隨著固溶溫度的升高，試驗(yàn)合金的晶粒尺寸明顯增大，強(qiáng)度下降。

    （2）隨著平均晶粒尺寸的增大，試驗(yàn)合金的疲勞壽命延長(zhǎng)；疲勞小裂紋階段占據(jù)了疲勞壽命的70%～80%，一旦小裂紋尺寸長(zhǎng)度達(dá)到臨界尺寸，裂紋會(huì)快速擴(kuò)展至斷裂；平均晶粒尺寸較小的試驗(yàn)合金中小裂紋臨界尺寸較小。

    （3）小裂紋階段，試驗(yàn)合金中裂紋擴(kuò)展速率波動(dòng)性大，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)減速或止裂現(xiàn)象，平均晶粒尺寸對(duì)小裂紋擴(kuò)展速率的影響不明顯；長(zhǎng)裂紋階段，裂紋擴(kuò)展速率隨著晶粒尺寸的增大而降低。

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責(zé)任編輯：王元

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