目前，運用斷裂力學研究金屬結構疲勞裂紋擴展時針對的都是幾毫米，甚至是幾十毫米的“長裂紋”。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件，如航空發動機渦輪盤和葉片，它們的設計要求必須了解小尺度（裂紋長度從幾微米到2mm）疲勞裂紋（簡稱小裂紋）的擴展特征。美國材料試驗學會頒布的E647-00《疲勞裂紋擴展速率測量標志試驗方法》規定：如果一條裂紋的所有幾何尺寸（對表面裂紋而言，同時包括它的長度和深度）與相關的微觀結構尺度、連續介質力學尺度或物理尺度相比都較小的話，則將其定義為“小裂紋”；而當裂紋長度達到材料的微觀結構不足以影響其擴展時，即裂紋轉變為長裂紋。最近越來越多的研究結果表明，當裂紋名義驅動力相同時，小裂紋的擴展速率比長裂紋的高得多，因此把針對長裂紋的疲勞斷裂設計理論直接用于含小裂紋構件的疲勞壽命設計，可能導致對其疲勞壽命的估計過高。

    隨著國產GH4169合金生產技術的日漸成熟和使用范圍的日益擴大，研究其小裂紋的疲勞擴展行為，能夠為國產航空發動機渦輪盤的長壽命設計提供重大幫助。目前，有關GH4169鎳基合金疲勞小裂紋擴展的試驗研究，尤其是晶粒尺寸對小裂紋擴展的影響研究鮮有報道。為此，科研人員對GH4169鎳基高溫合金進行了不同溫度固溶加雙級時效熱處理，研究了不同固溶溫度處理后的晶粒尺寸及力學性能以及晶粒尺寸對疲勞小裂紋擴展行為的影響。

    試驗材料為熱連軋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，其化學成分（質量分數，%）為C0.82，Al0.44，Si0.18，Ti1.16，Cr19.55，Fe18.93，Nb5.19，S0.003，Mo2.74，P0.005，余Ni。采用線切割機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行1h固溶處理，空冷，再進行（720±5）℃×8h爐冷（冷速50℃ h-1）和（620±5）℃×8h空冷的雙級時效處理，固溶溫度分別為985、1010、1020、1035、1050℃。試驗結果表明：

    （1）在不同溫度固溶和雙級時效處理后，隨著固溶溫度的升高，試驗合金的晶粒尺寸明顯增大，強度下降。

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

    （3）小裂紋階段，試驗合金中裂紋擴展速率波動性大，有時會出現減速或止裂現象，平均晶粒尺寸對小裂紋擴展速率的影響不明顯；長裂紋階段，裂紋擴展速率隨著晶粒尺寸的增大而降低。

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責任編輯：王元

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