第３Ｏ卷第９期 金属学报 Ｖｏ】 ３Ｏ Ｎｏ ９ 】９ ９ ４年９月 ＡＣＴＡ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡ ＳＪＮＩＣＡ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，ｌ ９ ９ ４ ／Ｊ ］一月 循环应力幅和平均应力对Ｎｉ３ＡＩ（Ｂ） 合金高温疲劳寿命的影响 兰 （中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂国家重点实验室） 王中光 （中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂国家重点实验室） 摘要奉文研究了高温 呈现脆性的多晶Ｎｉ ＡＩ（０ ６ａｔ一％Ｂ）台盒的高温疲劳性能载荷控制 的拉—拉疲劳实验在４５０℃及空气条件下完成．通过固定所有实验中最大拉伸应力值 而改变 Ｊ司实验中最小拉仲应力值的方法，可区分循环应力幅或平均应力及其交互作用对材料损伤的影 响奉实验获得的循环应力幅及平均应力与循环寿命的黑系曲线呈现 ｓ 形．本文初步分析了上 述实验现象 关键词 Ｎｌ 】（Ｂ），循环应力幅，平均应力，疲劳寿命 金属问化合物Ｎｉ Ａ１，作为潜在的高温结构材料受到材料科学家的高度重视．然而，脆性 作为一个主要原因限制了多晶Ｎｉ１Ａ１台金的加工和使用．通过在富Ｎｉ的Ｎｉ３Ａ１中添加微量 元素硼的方法也仅仅改善了．多晶Ｎｉ Ａ１的室温脆性…．而对其高温脆性没有明显改善作用． 高温疲劳蠕变交互作用对Ｎｉ ＡＩ高温疲劳性能的影响也是决定Ｎｉ，Ａ１能否实用化的一个重要 因素．已报道有关Ｎｉ Ａ１疲劳和蠕变性能的研究 ，以及在高温下由循环应力引起材料损 伤与由蠕变引起材料损伤的共同作用，即所谓疲劳蠕变交互作用，对Ｎｉ３Ａ１高温疲劳性能的影 响“。 文献（４，５）研究了载荷控制条件下在４５０和７６０℃时，定向凝固和单晶Ｎｉ３ＡＩ（Ｂ， ＨＩ）合盒的疲劳蠕变交互作用行为．但目前尚未见到有关由传统铸造工艺制备的，呈现高温 脆性的多晶Ｎｉ ＡＩ（Ｂ）合金的疲劳蠕变交互作用行为的报道．本文研究高温下循环应力幅和平 均应力对多晶Ｎｉ ＡＩ（Ｂ）合盒高温疲劳性能的影响． １实验方法 将纯度（ｗｔ一％）分别为９９．９和９９ ９９的纯Ｎｉ和高纯Ａ１，以及Ｎ＿一Ｂ中问合金，经真空熔 炼后真空浇注成直径１７×９０ ｍｍ的Ｎｉ ＡＩ（Ｂ）合金试棒．由化学分析结果得知合金的化学成分 （ａｔ．一％）为：Ａ１ ２３．９３．Ｂ ０．５７，Ｎｉ余量．ｘ射线衍射实验结果表明其为单相合金．试棒经过如下 国家自然科学基盘资助课题 １９９３年Ｉ１月３日收劐初稿 １９９３年ｌ２月２７ 收到修改稿 本文通讯联系人车钢 沈阳（】１００１５）中国科学院金属研究所 维普资讯 http://www.cqvip.com
Ａ ４２８ 金属学报 ３Ｏ卷 艺的均匀化处理：在１２００℃保温２４ｈ，炉冷至ｌ１００℃后保温ｌ ｈ．之后空冷至室温．经均匀 化处理的试棒，机械加工成标距直径为７．５０ ｍｍ和标距长度为ｌ１．００ ｍｍ的疲劳试样． 载荷控制的拉一拉疲劳实验在机械伺服的Ｍａｙｅｓ试验机上进行．实验在实验室空气和频 率为０．４５ Ｈｚ的条件下完成．本实验所用的循环应力参数示意图如图１．在所有的实验中，固 定最大拉伸应力为２２２．５ ＭＰａ．通过改变不同实验中的最小拉伸应力值，可以使循环应力幅和 平均应力产生相反的变化．从而研究它们对材料循环寿命的影响．此外，还进行了初始拉伸应 力为２２２ ５ ＭＰａ的固定载荷蠕变试验． 实验用合盒的屈服强度在４５０℃附近达到峰值 在应变速率２×ｌＯ 的条件下，在４５０℃ 进行拉伸实验时，测得该合金０ ２％残余伸长的屈服强度及抗拉强度分别为５９５和６１５ ＭＰａ． 所有的疲劳实验均在４５０ ｏＣ进行．试样加热装置是电阻加热炉．采用高灵敏度的比例控温器 可控制疲劳实验过程中的温度波动在±２℃以内 ２结果与讨论 循环应力幅及平均应力与循环寿命的关系如图２所示．在循环应力幅为５０ ＭＰａ（此时平 均应力为１７２．５ ＭＰａ）载荷条件下，材料的循环寿命仅为几百周次．在７５ ＭＰａ循环应力幅（平 均应力１４７．５ ＭＰａ）和２５ ＭＰａ循环应力幅（平均应力为１９７．５ ＭＰａ）载荷条件下，材料的循环 寿命显著增大，为２０００周次左右．而在ｌ００ ＭＰａ循环应力幅（１２２．５ ＭＰａ平均应力）的条件下， 材料显示出相当长的循环寿命，循环周次达到５１８００时，试样也未表现出有应变的迹象．考虑 到５ｌ８００周次比５０ ＭＰａ循环应力幅循环寿命高两个数量级，故试验在循环周政达到５ｌ８００ 时未继续进行．静态蠕变试验的断裂时间根据循环应力试验的频率换算成循环周次数，并标 记在图２中． Ｅ 图１本实验用应力参数示意图 图２循环应力辐及平均应力与循环寿命关系曲线 Ｆｉｇ １ Ｓｔｒｅｓｓ ｐａｔｔｅｒｎ ｕｓｅｄ Ｆｉｇ．２ Ｃｙｃｌｅｓ ｔｏ ｆｒａｃｔｕｒｅ １ ｃｙｃｌｉｃ ｓｔｒｅｓｓ ａｍｐ［ｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｍｅａｎ ｓｔｒｅｓｓ 在图２中，曲线分成两部分，分别标记为区域ｌ和区域ＩＩ．假定在每个区域中引起材料的 裂纹萌生和裂纹扩展的因素各不相ｒⅡ１．在区域Ｉ中，平均应力（蠕变分量）决定裂纹萌生过程， 维普资讯 http://www.cqvip.com
９期 李钢等： 循环应力幅和平均鹿力对Ｎｉ Ａ“Ｂ］台盎高温疲劳寿帝的釜；响 Ａ ４２９ 而循环应力幅（疲劳分量）控制裂纹扩展过程．平均应力越低．裂纹萌生的几率越小，材料的循 环寿命越长 例如在１２２．５ ＭＰａ平均应力（１００ ＭＰａ循环应力幅）的条件下，材料具有相当长的 循环寿命．当平均应力增大时，平均应力越大．裂纹萌生越早，同时循环应力幅促进已萌生的 裂纹扩展，故材料的循环寿命减少．在适当的平均止力和循环应力幅组合的条件Ｆ，例如在 １７２．５ ＭＰａ平均应力（５０ ＭＰａ循环应力幅），由于疲劳蠕变的强烈交互作用，材料的损伤达到 最大．循环寿命属著降低，达到最小值．进一步增加平均应万，循环应力幅值减小，裂纹扩展的 驱动力减弱．循环寿命增加．因此在医域Ｉ中，平均应力和循环应力幅与循环寿命的关系曲线 呈现“Ｃ”形． 在区域Ｉｌ中，循环应力幅趋近于零，循环应力幅对材料的损伤影响不大．此时平均应力『司 时控制着裂纹萌生和裂纹扩展过程．静态蠕变实验，即在最大平均应力试验条件下，材料的循 环寿命再一次降低． ３结 论 在本文实验条件Ｆ，铸造多晶单相Ｎｉ３ＡＩ（０．６ａｔ．一％Ｂ）合金的疲劳蠕变交互作用行为的研 究结果显示，不管平均应力值大或小，平均应力都控制着Ｎｉ３ＡＩ（０．６ａｔ．一％Ｂ）合金的裂纹萌生 过程，而循环应力幅只促使已萌生的裂纹扩展．适当的平均应力和循环应力幅的组合．会产生 强烈的疲劳蠕变交互作用，显著降低材料的循环寿命． 感谢贾文库和姚戈同志对本实验的大力支持 参考文献 １青木清，和泉修，日本金属学会忐１９７９；４３ １］９Ｏ ２ Ｓｔｏ］ｏｆｆＮ Ｓ Ｆｕｃｈｓ Ｇ Ｅ，Ｋｕｒｕｖｉｌｌａ Ａ，Ｃｈｏｅ Ｓ Ｊ Ｉｎ：ＳｔｏｌｏｆｆＮ Ｓ ｅｔ ａｌ ｅｄｓ，Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｒｄｅｒｅｄ ＩｎｔｅｒｍｅｔａｔｌｉｃＡｌｌｏｙｓ，，ＭａｔｅｒＲｅｓ Ｓｏｃ ＳｙｍｐＰｒｏｃ．１９８７；８１：２４７ ３ Ｈｅｍｋｅｒ Ｋ Ｊ．Ｍｉｌｔｓ Ｍ Ｊ，Ｎｉｘ Ｗ Ｄ Ａｃｔａ￣ＩｅｔａｔｌＭａｔｅｒ １９９】：３９：１９０１ ４ ＢｅｌｌｏｗｓＲＳ，ＳｃｈｗａｒｚｋｏｐｆＥＡ，Ｔｉｅｎ ＪＫ ＭｅｔａｌｔＴｒａｎｓ，１９８８￣１９Ａ：４７９ ５ Ｔｉｅｎ Ｊ Ｋ，Ｂｅｌｌｏｗｓ Ｒ Ｓ Ｉｎ：Ｋｏｃｈ Ｃ Ｃ ｅｔ ａｔ ｅｄｓ． Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｒｄｅｒｅｄ ｌｎｔｅｒｍｅｔａｌｔｉｃ Ａｌｌｏｙｓ １１１， Ｍａｔｅｒ Ｒｅｓ Ｓｏｃ Ｓｙｒｕｐ Ｐｒｏｃ，ｌ９８９｛１３３：２５５
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