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CN111678821A - 基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法 - Google Patents

基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法 Download PDF

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CN111678821A
CN111678821A CN202010579141.9A CN202010579141A CN111678821A CN 111678821 A CN111678821 A CN 111678821A CN 202010579141 A CN202010579141 A CN 202010579141A CN 111678821 A CN111678821 A CN 111678821A
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China
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刘战强
姚共厚
王鑫
任小平
王兵
蔡玉奎
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Shandong University
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Shandong University
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Abstract

本发明公开了一种基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：进行高温合金试样低周疲劳试验，获取疲劳寿命与总应变幅值数据，在双对数坐标系下绘制疲劳寿命与总应变幅值关系图；选择低周疲劳试验后的高温合金试样，垂直于试样进行轴向切割取样，将取样镶嵌在黑色镶嵌树脂中，进行机械抛光，使取样表面粗糙度至微米级，再进行表面化学腐蚀以测量表面的平均面积均方根；选择疲劳寿命试验试样，测量试样加工表面不平度；得到与高温合金平均晶粒面积均方根有关的疲劳寿命预测模型：对疲劳寿命预测模型进行考虑加工表面不平度影响的公式修正，建立所述基于表面完整性的高温合金试样低周疲劳寿命预测模型。

Description

基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法
技术领域
本发明涉及高温合金试样疲劳寿命预测技术领域，具体涉及一种基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，适用于航空航天、核工业、化工等产业中使用的高温合金材料。
背景技术
高温合金由于具有出色的高温强度、耐热腐蚀性、高温抗氧化性和在高温下的抗疲劳性能，因此是制造高温高载荷、高低温交变频繁、高速气流冲刷等极端服役环境下工作装备热端零件的关键工程材料。常用高温合金按基体元素可分为镍基、钴基和铁基三类高温合金。其中镍基高温合金综合性能最优，已被广泛应用于航空航天发动机热端零件，特别是涡轮盘的制造。
但高温合金对应力集中、应变率非常敏感，作为热端零件在实际工作中服役环境复杂、载荷历程多变，会受到机械应力和热应力的反复耦合作用，极易产生低周疲劳而失效。高温合金零件的低周疲劳失效将造成装备故障，引起严重经济损失，甚至威胁到操作人员的生命安全，因此亟待对镍基高温合金低周疲劳寿命进行精准预测。
已有的高温合金低周疲劳寿命预测方法可以分为两类：一类是基于高温合金试样的疲劳寿命试验数据进行回归拟合，进行疲劳寿命预测，这类方法虽然预测精度较高，但需要进行大量的试验，非常耗时，同时成本高昂，且局限于仅在试验范围内的条件下应用；另一类是基于高温合金材料的物理、力学特性，通过理论推理建立解析模型进行疲劳寿命预测，这类方法的推导过程十分繁琐，同时模型中很多参数的数值仍需要通过材料性能测试获得，获取难度大、精度低，从而影响疲劳寿命预报精度。分析研究表明，高温合金疲劳寿命还受零件表面晶粒尺寸大小影响，而已有的疲劳寿命预测方法尚未考虑这方面的影响。因此，针对高温合金材料低周疲劳寿命，急需一种相对简单并准确的预测方法。
发明内容
针对已有高温合金材料低周疲劳寿命预测技术方法不足，本发明提出一种加工表面完整性的高温合金试样低周疲劳寿命预测方法。该方法通过高温合金材料加工表面完整性指标参数进行疲劳寿命预测，考虑高温合金材料加工表面不平度、平均晶粒面积均方根这两个加工表面完整性指标参数的影响，避免复杂理论推理模型计算同时提高疲劳寿命预测精度。
本发明为解决上述问题，采用了以下的技术方案：
基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，具体包括以下步骤：
S1.进行高温合金试样低周疲劳试验，获取疲劳寿命与总应变幅值数据，在双对数坐标系下绘制疲劳寿命与总应变幅值关系图；
S2.选择低周疲劳试验后的高温合金试样，垂直于试样进行轴向切割取样，将取样镶嵌在黑色镶嵌树脂中，进行机械抛光，使取样表面粗糙度至微米级，再进行表面化学腐蚀以测量表面的平均面积均方根(测量在从试样表面到亚表面几微米的范围内进行)；
S3.选择疲劳寿命试验试样，测量试样加工表面不平度；
S4.在步骤S1中，在双对数坐标系下，疲劳寿命与总应变幅值为线性函数关系，因此在笛卡尔坐标系下得到二者的幂函数关系式(1)：
Nf＝a(Δε-m)-b (1)
在式(1)中，Nf为疲劳寿命，Δε为总应变幅值，a、b和m为待确定系数；
S5.在式(1)中，当Δε无限接近m时，Nf接近无穷大。理论上，当施加应力小于疲劳极限时，疲劳过程将无限循环而不发生疲劳失效，因此假设疲劳极限等于弹性极限，从而可以按式(2)计算得到m数值：
Figure BDA0002552484430000031
在式(2)中，ε-1为弹性应变极限，σ-1为疲劳极限，E为弹性模量；
进一步，作为高温合金，疲劳极限与拉伸强度存在式(3)的关系，而拉伸强度与平均晶粒面积均方根存在Hall-Patch关系式(4)：
σ-1＝Pσb (3)
Figure BDA0002552484430000032
在式(3)中，P为比例因子，σb为拉伸强度；在式(4)中，σ0是摩擦应力，c是与高温合金材料牌号相关的系数，A是平均晶粒面积均方根；
S6.将步骤S5中的式(2)、(3)、(4)带入步骤S1中的式(1)中，可得与高温合金平均晶粒面积均方根有关的疲劳寿命预测模型：
Figure BDA0002552484430000033
S7.对步骤S6中式(5)进行考虑加工表面不平度影响的公式修正，建立所述基于表面完整性的高温合金试样低周疲劳寿命预测模型：
Figure BDA0002552484430000034
在式(6)中，Sa为镍基高温合金加工表面算数平均高度，Sz为镍基高温合金加工表面最大高度。
进一步，步骤S1中所述的高温合金疲劳试验，应根据不同被加工试样高温合金材料选择合适的加工参数，同时应在不同的应力水平、应力比下进行试验，以通过对疲劳寿命与总应变幅值关系进行数据拟合，计算出步骤S4中的参数a、b。
进一步，步骤S2中所述的抛光试样腐蚀溶液并不唯一，应根据相应的高温合金牌号选择正确的溶剂与配比方案。
进一步，步骤S2中所述的平均晶粒面积均方根
Figure BDA0002552484430000041
其中NA为每平方微米晶粒数；
Figure BDA0002552484430000042
其中S为选取圆形区域面积，M为显微镜放大倍数，N为面积S内晶粒数；所有测量应按照中华人民共和国国标GB/T 6394-2017进行。
进一步，步骤S3中所述的加工表面不平度，是指测量加工表面算数平均高度和加工表面最大高度。
进一步，所述的测量每次选取点数均应大于等于5，取平均值作为测量值，以确保测试数据的准确度与可信度。
本发明的测试原理如下：
影响高温合金疲劳寿命的因素包括：加工表面状态、加工表面残余应力、应力幅及温度等。其中，加工表面完整性包括表面几何状态与加工表面残余应力是评估高温合金试样疲劳寿命的重要因素。加工表面几何状态对高温合金寿命影响反映在宏观尺度上，加工表面几何状态越差，表面应力会越集中，试样疲劳寿命就会越低。而加工表面残余应力对高温合金寿命影响反映在微观尺度上，不同晶粒尺寸及分布会产生相应的II型(晶间)残余应力，进一步会影响合金的抗疲劳裂纹萌生和扩展能力。因此本发明同时涉及宏观、微观两个尺度，选取加工表面不平度、平均晶粒面积均方根两个加工表面完整性指标参数进行耦合建立高温合金试样低周疲劳预测模型，提高疲劳寿命预测精度。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提出一种基于加工表面完整性的高温合金试样低周疲劳寿命预测方法，模型简单且具有明确的物理意义。
(2)本发明考虑材料晶粒尺寸对高温合金试样低周疲劳寿命预测的影响。平均晶粒面积均方根影响高温合金的抗疲劳裂纹萌生和扩展能力，是影响疲劳寿命的重要微观组织因素，因此本发明具有较高的疲劳寿命预测精度。同时本发明还考虑试样加工表面不平度对疲劳寿命的影响，可进一步提高模型预测精度。
(3)本发明只需考虑加工表面完整性指标中的加工表面不平度和材料平均晶粒面积均方根两个参数，可满足实际工程中疲劳寿命预测的快速、精确需求。避免大量的试验重复和数据采集，节约大量的时间与材料支出，具有广阔的科研价值与工程应用前景。
附图说明
图1是本发明实施流程图。
图2是高温合金低周疲劳试验试样尺寸。
图3是双对数坐标系下高温合金低周疲劳试验疲劳寿命与总应变幅值关系图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，主要包括以下步骤：
S1.进行高温合金试样低周疲劳试验，获取疲劳寿命与总应变幅值数据，在双对数坐标系下绘制疲劳寿命与总应变幅值关系图；
S2.选择低周疲劳试验后的高温合金试样，垂直于试样进行轴向切割取样，将取样镶嵌在黑色镶嵌树脂中，进行机械抛光，使取样表面粗糙度至微米级，再进行表面化学腐蚀以测量表面的平均面积均方根；腐蚀溶液的溶剂包括HCl、HNO3、H2SO4、C2H5OH、HF、甘油、CuCl2等。腐蚀合金加工表面时应控制腐蚀时间，时间过短或过长均会造成晶界模糊，影响平均晶粒面积均方根测量结果。
S3.选择疲劳寿命试验试样，测量试样加工表面不平度；
S4.在步骤S1中，在双对数坐标系下，疲劳寿命与总应变幅值为线性函数关系，因此在笛卡尔坐标系下得到二者的幂函数关系式，计算m数值、将疲劳极限与拉伸强度关系式、拉伸强度与平均晶粒面积均方根的Hall-Patch关系式代入幂函数关系式；得到与高温合金平均晶粒面积均方根有关的疲劳寿命预测模型：对疲劳寿命预测模型进行考虑加工表面不平度影响的公式修正，建立所述基于表面完整性的高温合金试样低周疲劳寿命预测模型。
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
实施例1
本发明是一种基于加工表面完整性的高温合金试样低周疲劳寿命预测方法，以GH4169镍基高温合金车削试样为例，详细介绍高温条件下低周疲劳预测方法具体的实施步骤：
S1.采用伺服液压疲劳试验机进行650℃恒定温度条件下的GH4169镍基高温合金低周疲劳试验，总轴向应变控制在0.2％到0.6％之间，应变比为-1，加载频率为20Hz，试样尺寸如图2所示。获取疲劳寿命与总应变幅值数据，在双对数坐标系下绘制疲劳寿命与总应变幅值关系图3。
S2.选择疲劳试验的试样，垂直于试样进行轴向切割，通过镶嵌机将切割好的试样镶嵌到黑色树脂镶嵌块中，在抛光机上机械抛光至1μm级。将抛光后的试样放入100mL HCl+100mLC2H5OH+5g CuCl2的腐蚀溶液中进行腐蚀，腐蚀20分钟后取出，随后用酒精清洗，烘干后放置在光学显微镜上观察其显微组织，计算平均晶粒面积均方根A，计算流程按照中华人民共和国国标GB/T 6394-2017执行。
S3.选择疲劳试验的试样，通过激光共聚焦显微镜测量试样加工表面算数平均高度Sa和加工表面最大高度Sz。
S4.对于镍基合金，式(3)中参数P＝0.35，疲劳极限与拉伸强度关系为：
σ-1＝0.35σb (7)
S5.通过动态法弹性模量测试仪确定650℃下GH4169镍基高温合金的弹性模量E＝176Mpa，确定拉伸强度与平均晶粒面积均方根关系式(4)为：
Figure BDA0002552484430000071
S6.可以根据等式(6)、(7)、(8)获得GH4169镍基高温合金试样低周疲劳寿命预测模型：
Figure BDA0002552484430000081
S7.根据式(1)拟合步骤S1中疲劳寿命与总应变幅值数据，可得参数a＝2.4832×10-5，b＝2.935，代入式(9)中，最终获得了GH4169镍基高温合金试样低周疲劳寿命预测模型：
Figure BDA0002552484430000082
实施例2
本发明是一种基于加工表面完整性的高温合金试样低周疲劳寿命预测方法，以GH4169镍基高温合金精车-滚组合加工试样为例，详细介绍常温条件下低周疲劳预测方法具体的实施步骤：
S1.采用伺服液压疲劳试验机进行常温条件下的GH4169镍基高温合金精车-滚组合加工试样低周疲劳试验，总轴向应变控制在0.2％到0.6％之间，应变比为0.1，加载频率为90Hz，试样尺寸如图2所示。获取疲劳寿命与总应变幅值数据，在双对数坐标系下绘制疲劳寿命与总应变幅值关系图3。
S2.选择疲劳试验的试样，垂直于试样进行轴向切割，通过镶嵌机将切割好的试样镶嵌到黑色树脂镶嵌块中，在抛光机上机械抛光至1μm级。将抛光后的试样放入100mL HCl+100mLC2H5OH+5g CuCl2的腐蚀溶液中进行腐蚀，腐蚀20分钟后取出，随后用酒精清洗，烘干后放置在光学显微镜上观察其显微组织，计算平均晶粒面积均方根A，计算流程按照中华人民共和国国标GB/T 6394-2017执行。
S3.选择疲劳试验的试样，通过激光共聚焦显微镜测量试样加工表面算数平均高度Sa和加工表面最大高度Sz。
S4.对于镍基合金，式(3)中参数P＝0.35，疲劳极限与拉伸强度关系为：
σ-1＝0.35σb (11)
S5.通过动态法弹性模量测试仪确定常温条件下GH4169镍基高温合金的弹性模量E＝201Mpa，确定拉伸强度与平均晶粒面积均方根关系式(4)为：
Figure BDA0002552484430000091
S6.可以根据等式(6)、(11)、(12)获得GH4169镍基高温合金低周疲劳寿命预测模型：
Figure BDA0002552484430000092
S7.根据式(1)拟合步骤S1中疲劳寿命与总应变幅值数据，可得参数a＝8.4154×10-4，b＝2.147，代入式(13)中，最终获得了GH4169镍基高温合金低周疲劳寿命预测模型：
Figure BDA0002552484430000093
实施例3
本发明是一种基于加工表面完整性的高温合金试样低周疲劳寿命预测方法，但对其他合金试样低周疲劳寿命预测也具有指导意义。以TC4高温钛合金精车-滚压组合加工试样为例，详细介绍其常温条件下低周疲劳预测方法具体的实施步骤：
S1.采用伺服液压疲劳试验机进行常温条件下的TC4钛合金精车-滚压组合加工试样低周疲劳试验，总轴向应变控制在0.4％到0.8％之间，应变比为0.481，加载频率为0.5Hz，疲劳极限σ-1为407Mpa，拉伸强度σb为974Mpa，试样尺寸如图2所示。获取疲劳寿命与总应变幅值数据，在双对数坐标系下绘制疲劳寿命与总应变幅值关系图3。
S2.选择疲劳试验的试样，垂直于试样进行轴向切割，通过镶嵌机将切割好的试样镶嵌到黑色树脂镶嵌块中，在抛光机上机械抛光至1μm级。将抛光后的试样放入5mL HNO3+3mLHF+92mLH20的腐蚀溶液中进行腐蚀，腐蚀20分钟后取出，随后用酒精清洗，烘干后放置在光学显微镜上观察其显微组织，计算平均晶粒面积均方根A，计算流程严格按照中华人民共和国国标GB/T 6394-2017执行。
S3.选择疲劳试验的试样，通过激光共聚焦显微镜测量试样加工表面算数平均高度Sa和加工表面最大高度Sz。
S4.对式(3)中疲劳极限σ-1与拉伸强度σb数据进行拟合，得到参数P＝0.43，疲劳极限与拉伸强度关系为：
σ-1＝0.43σb (15)
S5.通过动态法弹性模量测试仪确定常温TC4钛合金的弹性模量E＝115Mpa，确定拉伸强度与平均晶粒面积均方根关系式(4)为：
Figure BDA0002552484430000101
S6.可以根据等式(6)、(15)、(16)获得TC4钛合金试样低周疲劳寿命预测模型：
Figure BDA0002552484430000102
S7.根据式(1)拟合步骤S1中疲劳寿命与总应变幅值数据，可得参数a＝3.255×10-4，b＝2.289，代入式(17)中，最终获得了TC4钛合金试样低周疲劳寿命预测模型：
Figure BDA0002552484430000103
以上所述仅为本发明的具体实例，但本发明并不局限于此实例，本领域的技术人员可以在本发明的精神和原则内进行种种等同替换、变型、改进。所作的任何等同替换、变型、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.进行高温合金试样低周疲劳试验，获取疲劳寿命与总应变幅值数据，在双对数坐标系下绘制疲劳寿命与总应变幅值关系图；
S2.选择低周疲劳试验后的高温合金试样，垂直于试样进行轴向切割取样，对取样表面进行处理，使取样表面粗糙度至微米级，再进行表面化学腐蚀以测量表面的平均面积均方根；
S3.选择疲劳寿命试验试样，测量试样加工表面不平度；
S4.基于步骤S1中的疲劳寿命与总应变幅值关系图以及相关计算，得到与高温合金平均晶粒面积均方根有关的疲劳寿命预测模型：对疲劳寿命预测模型进行考虑加工表面不平度影响的公式修正，建立所述基于表面完整性的高温合金试样低周疲劳寿命预测模型。
2.如权利要求1所述的基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤S1中，在双对数坐标系下，疲劳寿命与总应变幅值为线性函数关系，在笛卡尔坐标系下得到二者的幂函数关系式(1)：
Nf＝a(Δε-m)-b (1)
在式(1)中，Nf为疲劳寿命，Δε为总应变幅值，a、b和m为待确定系数。
3.如权利要求2所述的基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤S1中所述的高温合金疲劳试验，应根据不同被加工试样高温合金材料选择合适的加工参数，同时应在不同的应力水平、应力比下进行试验，以通过对疲劳寿命与总应变幅值关系进行数据拟合，计算出公式(1)中的参数a、b。
4.如权利要求2所述的基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，m值的计算方法：假设疲劳极限等于弹性极限，从而可以按式(2)计算得到m数值：
Figure FDA0002552484420000021
在式(2)中，ε-1为弹性应变极限，σ-1为疲劳极限，E为弹性模量。
5.如权利要求4所述的基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，作为高温合金，疲劳极限与拉伸强度存在式(3)的关系；
σ-1＝Pσb (3)
在式(3)中，P为比例因子，σb为拉伸强度。
6.如权利要求5所述的基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，作为高温合金，拉伸强度与平均晶粒面积均方根存在Hal l-Patch关系式(4)：
Figure FDA0002552484420000022
在式(4)中，σ0是摩擦应力，c是与高温合金材料牌号相关的系数，A是平均晶粒面积均方根；将式(2)、(3)、(4)带入步骤S1中的式(1)中，可得与高温合金平均晶粒面积均方根有关的疲劳寿命预测模型。
7.如权利要求5所述的基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，与高温合金平均晶粒面积均方根有关的疲劳寿命预测模型：
Figure FDA0002552484420000023
对式(5)进行考虑加工表面不平度影响的公式修正，建立所述基于表面完整性的高温合金试样低周疲劳寿命预测模型式(6)：
Figure FDA0002552484420000031
在式(6)中，Sa为镍基高温合金加工表面算数平均高度，Sz为镍基高温合金加工表面最大高度。
8.如权利要求1所述的基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤S2中所述的抛光试样腐蚀溶液根据相应的高温合金牌号选择正确的溶剂与配比方案。
9.如权利要求1所述的基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤S2中所述的平均晶粒面积均方根
Figure FDA0002552484420000032
其中NA为每平方微米晶粒数；
Figure FDA0002552484420000033
其中S为选取圆形区域面积，M为显微镜放大倍数，N为面积S内晶粒数。
10.如权利要求1所述的基于高温合金加工表面完整性的低周疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤S3中所述的加工表面不平度，是指测量加工表面算数平均高度和加工表面最大高度。
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