本文对一种新型镍基单晶高温合金在不同应变幅(0.7%~1.2%)下进行760℃高温低周疲劳试验，探讨了应变幅对合金低周疲劳行为的影响，分析了其疲劳塑性变形特点和疲劳断裂机制。结果表明：随着应变幅的增加，合金的低周疲劳寿命缩短，循环软化程度显著降低；当应变幅为0.7%，0.8%时，位错在与应力轴垂直的基体通道中的平面滑移及位错滑移带的形成是疲劳变形的主要方式，疲劳裂纹起源于合金内部缩孔处，断口形貌的主要特征是疲劳解理台阶和撕裂棱，断裂机制为解理断裂；当应变幅为1.0%，1.2%时，位错剪切γ'相粒子及层错的出现是合金变形的主要特征，裂纹起源于合金表面应力集中的滑移带或显微疏松位置，裂纹在{111}滑移面上沿<110>方向扩展，断口形貌的主要特征是锯齿台阶和河流花样，断裂机制为解理断裂。

No.01试样制备与试验方法

     试验用镍基单晶高温合金，采用螺旋选晶法在真空定向凝固炉中以3.5mm·s-1抽拉速度制备单晶合金试棒，采用X射线劳埃法测定单晶取向为<001>，偏离夹角不大于7°。对单晶棒进行1300℃×4h+1000℃×4h+870℃×16h热处理，热处理后的显微组织如图1所示，可见合金由立方γ'沉淀相和基体γ相组成，其中立方γ'相的边长约为0.45μm，沿[100] 和[010]方向排列。

     在试验合金上截取尺寸为ϕ72mm×12mm 的疲劳试样，在机械伺服疲劳试验机上进行高温低周疲劳试验，试验温度为760℃，试验环境为空气环境。试验温度由放置在试样标距部位的上、下两根热电偶控制，温度偏差控制在±2℃以内。采用全反向轴向总应变控制的拉-压加载方式，应变幅在0.7%~1.2%，波形为三角波，应变比R为-1，应变速率为5×10-3s-1，相同试验条件下测3个试样，取试验结果的平均值。疲劳试验结束后，在断口附近截取试样，制备透射电镜试样，采用透射电镜观察变形组织的位错形貌，并采用扫描电镜观察断口微观形貌。

No.02试验结果与讨论

2.1 循环应力响应行为

     合金疲劳加载过程中的循环应力响应曲线反映了连续循环过程中应力幅随循环次数的变化规律。

     由图2可以看出，试验合金的循环应力响应行为与应变幅有关，循环应力响应曲线包括循环硬化、循环饱和和循环软化3个阶段。当应变幅为0.7%时，在2450周次循环阶段，试验合金的循环应力响应曲线表现出短暂循环硬化和循环饱和现象，随后进入到循环软化阶段，直至断裂；当应变幅为0.8%时，在最初1500周次循环阶段，试验合金的循环应力响应曲线表现出明显的循环硬化现象，应力从最初的780MPa上升到峰值840MPa，随后快速回落进入到循环饱和阶段，在循环到2500周次后，进入循环软化阶段；在应变幅为1.0%时，初期的循环硬化阶段很短暂，应力响应曲线较平稳，试验合金表现出稳定的循环饱和变形行为，未经历循环软化阶段直接发生断裂；当应变幅为1.2%时，循环应力响应曲线整体呈现上升趋势，循环硬化阶段是试验合金疲劳寿命的主要部分。随着应变幅从0.7%增大至1.2%，试验合金的疲劳寿命由8200周次下降至320周次，循环软化程度显著降低。γ'相粗化及位错网的形成是镍基单晶合金循环软化的2个重要因素，循环软化伴随着循环应力水平的快速下降，表明在此阶段裂纹扩展速度加快继而引发试样断裂。

     不同应变幅下的循环应力响应行为与合金内部的微观结构密切相关。由图3可以看出：在0.7%应变幅下循环1808周次后，试验合金组织的位错在与应力轴垂直的{001}面上滑移，局部区域有二次细小 γ' 粒子析出(位置A所示)，位错在二次细小γ'粒子周围塞积，导致加工硬化发生；局部区域较低的位错密度表明在变形过程中发生了位错的回复现象。低应变幅下的多次循环诱发二次细小 γ' 粒子的析出，二次γ'粒子在基体中的形核需要吸收大量的位错，导致 γ/γ'界面上的位错密度下降，减小了位错在水平基体通道运动的阻力，此阶段的循环应力水平基本不变，为循环应力响应曲线中的循环饱和阶段。当应变幅为0.8%时，位错组态发生了明显变化，位错分布不均匀,出现了高密度的位错滑移带(箭头位置所示)。ARAKERE等利用疲劳模型分析了PWA1493镍基单晶在1200︒F下不同晶体取向的低周疲劳数据，预测其疲劳寿命，发现滑移系的最大分切应力会对位错组态特征产生影响，位错缠结、位错滑移带的出现会影响不同晶体取向合金的疲劳寿命，高密度的位错滑移带是导致合金发生循环硬化的原因。随着循环次数的增加，位错滑移带内位错不断积聚，位错被限制在滑移带内而难以运动，因此0.8%应变幅下循环至1000，1500周次左右时的应力波动与位错滑移带的形成相关；当循环次数超过1500周次后，塞积的位错以攀移或绕过的方式通过γ'相，合金进入疲劳软化阶段。应变幅为1.0%时试验合金的位错形貌与应变幅为1.2%时相似。当应变幅为1.2%时，位错密度较高，位错切入γ'相内，并观察到少量层错(箭头位置所示)。可知随着应变幅的增大，位错更易于切割 γ'相，在γ /γ' 界面塞积了大量相互缠结的位错而产生应力集中，当应力集中达到一定程度时，位错以层错的形式剪切 γ'相粒子，合金抵抗塑性变形的能力降低，从而导致微裂纹的萌生；位错在γ'相中的数量越多，裂纹扩展速率越快，疲劳寿命越短，这与循环应力响应行为相吻合。

2.2 断口形貌

     由于0.7%和0.8%应变幅下试验合金的低周疲劳断口形貌相似，1.0%和1.2%应变幅下的低周疲劳断口形貌相似，因此以0.7%和1.2%应变幅为例对其断口形貌进行观察。

      由图4可以看出，试验合金的高温低周疲劳断口由3个不同区域组成，即裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区，断裂机制均为解理断裂。在0.7%低应变幅下，裂纹在试样内部缩孔处萌生，缩孔处应力集中易成为裂纹源，在瞬断区高倍形貌的左下方可以观察到河流花样，这主要与滑移带在试样表面的失稳扩展有关；疲劳断口瞬断区高倍形貌中存在随机分布的方形小平面(箭头位置所示)，平面中心存在微小缩孔，周边可见解理台阶和撕裂棱,在疲劳试验后期，试样的有效承载面积达到极限，裂纹突然快速扩展，试样沿瞬断面断裂。1.2%应变幅下试验合金的高温低周疲劳断口中可观察到平行锯齿状台阶，说明在较高应变幅下试验合金的疲劳断裂为纯剪切断裂，裂纹沿2组互不平行的{111}滑移面扩展形成锯齿台阶，裂纹的扩展方向平行于2组{111}面的交线，即裂纹的扩展方向为<110>；裂纹萌生于试样表面附近易导致应力集中的滑移带或显微疏松位置(箭头位置所示)，疲劳裂纹呈多源特征。

2.3 分析与讨论

      镍基高温合金在高温不同应变幅下低周疲劳过程中表现出循环硬化、循环饱和以及循环软化3个阶段。沉淀相强化的镍基高温合金抵抗塑性变形的能力来自于位错与位错之间的交互作用以及位错与γ'析出相粒子之间的交互作用。在疲劳加载期间，合金内部产生高密度的位错，这些位错在运动过程中交互作用，形成位错缠结、Lomer-Cottrell锁等复杂的位错组态，成为阻碍位错进一步运动的障碍，导致位错可动性降低，阻碍位错在{001}面基体通道内运动。由于位错在强度较低的基体中产生，分布于基体中的高强度析出相粒子是位错运动的主要障碍，位错从基体中切入γ'析出相粒子需要较大的外力来实现。在应变幅为0.7%的初期循环微观组织中虽然位错的密度不高，但应力诱发的细小γ'析出相阻碍了位错在基体通道的滑移，位错主要塞积在γ/γ'界面，变形应力提高，因此在循环初期观察到循环硬化现象。研究发现，细小的γ'析出相在循环变形过程中被位错反复切割，减小了γ'相在滑移面上的有效尺寸，从而降低了位错切过γ'相所需的外力，最终形成了一个阻力很小的位错易滑移通道。在0.7%应变幅循环末期，γ'析出相粒子的粗化促进了循环软化现象的发生。

     RAO等研究发现，在高温疲劳加载条件下，在位错不断增殖的同时，也可以发生位错的湮没，这相当于在热激活条件下发生的一种位错回复过程，即通过异号位错在运动过程中相遇并抵消而实现，其结果是导致疲劳变形过程中位错滑移阻力下降，从而使位错滑移所需的外加应力降低，即产生软化效应。在0.8%应变幅下循环至1500周次时循环应力先降低后升高的现象是位错增殖和湮灭交替出现的结果，同时变形组织中观察到高密度的位错滑移带，导致循环硬化现象出现，滑移带的形成表明位错在基体中分布不均匀，容易引起塑性失稳，这与循环应力响应曲线的波动现象吻合。γ'析出相粒子粗化，滑移位错通过攀移或绕过的方式通过γ'析出相是循环末期软化发生的主要原因。ANTOLOVICH等研究发现，在低周疲劳加载条件下，René80镍基高温合金中的γ'析出相在循环变形过程中发生粗化而丧失共格性。在760℃高温疲劳加载条件下试验合金的γ'析出相未发生明显粗化，大部分区域两相仍存在共格关系，但位错共面滑移的机会减少，随着应变幅增大至1.2%后，变形应力提高，位错富集在γ/γ'界面，出现循环硬化现象。此外，由于变形不易协调，界面处位错以层错形式切割γ'粒子，导致合金经历过循环硬化阶段后，裂纹的扩展速率快速提高。随着应变幅的增大，试验合金的循环硬化程度提高，在高应变幅(1.0%，1.2%)下未经历循环软化阶段即发生断裂。

No.03结 论

     (1) 镍基单晶高温合金在760℃下的低周疲劳循环应力响应行为与应变幅密切相关，疲劳寿命随应变幅的增大而缩短。当应变幅为0.7%，0.8%时，循环应力响应曲线由循环硬化、循环饱和和循环软化阶段组成；疲劳变形组织中未发生位错剪切γ'相粒子现象,位错在与应力轴垂直的基体通道中的平面滑移及位错滑移带的形成是合金的主要变形方式；疲劳裂纹起源于合金内部的缩孔处，断口中存在疲劳解理台阶和撕裂棱，断裂机制为解理断裂。

     (2) 当应变幅为1.0%，1.2%时，循环应力响应曲线中未出现循环软化现象；疲劳变形组织中 γ/γ'界面处位错密度较高，位错剪切γ'粒子及层错的出现是合金的主要变形方式；疲劳裂纹在试样表面应力集中的滑移带或显微疏松位置萌生，疲劳裂纹沿晶体{111}滑移面的相交线<110>方向扩展，河流花样和疲劳台阶是疲劳断口的主要形貌特征，断裂机制为解理断裂。

引用本文：

 

水丽.应变幅对一种新型镍基单晶高温合金高温低周疲劳性能的影响[J].机械工程材料，2022，46（6）：31-35，43.