（GH3030）镍基高温合金化学成分性能特点

1前言

GH3030合金为80Ni-20Cr固溶强化型高温合金，同时也属于镍基变形高温合金，在800℃以下具有满意的热疲劳性能，主要用作涡轮、发动机燃烧室部件，高温容器、结构件，热电偶保护套等。对GH3030合金的研究工作主要集中于生产工艺过程中成分的控制及焊接性能的研究四，关于其力学性能的研究文献相见甚少。王攀等研究了元素Al及热处理工艺对GH3030合金力学性能的影响，结果发现，微量合金元素Al的添加在一定范围内能够提高合金的室温拉伸性能，同时，固溶温度和固溶时间的合理选择也可有效提高合金的冲击韧度和硬度等力学性能。

由于GH3030合金构件的工作环境为高温、高负荷，研究其力学性能尤其是热疲劳性能是有必要的。本文从宏观上研究了GH3030合金在600、700和800℃的高温应变疲劳性能。分析了GH3030合金的循环应力-应变响应规律，运用Manson-Coffin模型和一个含有疲劳极限的应变疲劳寿命公式得出了合金的应变-寿命关系，并通过残差分析比较了两式对GH3030合金高温应变疲劳应变-寿命关系的拟合效果，为GH3030合金的工程应用提供了一定的参考。

2 实验材料和方法

GH3030合金的主要化学成分如表1所示。试样的形状及尺寸如图1所示。

3实验结果及分析

3.1循环应力-应变曲线分析

循环应力-应变曲线反映了材料的应力应变响应关系。由GJB/Z18A-2005标准循环应力-应变曲线通常有两种表达方式田：①以应力幅和塑性应变幅来表达，即△σ/2-Aɛp/2关系曲线；②以应力幅与总应变幅来表达，即△σ/2-△εt,/2关系曲线。△σ/2-△εp/2关系曲线的数学表达式见式(1):

Aσ/2=K'(△ɛp/2)n" (1)

其中，K'为循环强度系数，n"为硬化指数。由式(1)可知，△σ/2-△εp/2关系曲线在双对数坐标中呈一条直线，其斜率即为材料的硬化指数。GH3030合金的△σ/2-△εp/2关系曲线如图2所示，600℃时n"=0.23446,K'=503.188MPa;700℃时n"=0.23588,K'=444.212MPa;800℃时n"=0.16169,K'=309.3MPa。

硬化指数反映了金属材料抵抗进一步塑性变形的能力，硬化指数越大，抵抗变形的能力越强，GH3030合金在600和700℃时，得到的硬化指数相差不大，而当温度达到800℃时，其硬化指数明显降低，说明在800℃时，由于温度的升高，合金的内部组织形态可能发生变化，导致材料的“软化”。

另外△σ/2-△εt;/2关系曲线的数学表达式见式(2):

△εt/2=εe/2+εp/2=Aσ/2E+(Aσ/2K) (2)

由式(2)得到GH3030合金在600、700和800℃下的关系曲线如图3所示，具体表达式见式(3)。

3.2 GH3030合金疲劳寿命曲线分析

3.2.1 基于Manson-Coffin式的疲劳寿命曲线

Manson-Coffin模型是描述应变与寿命之间定量关系的经典模型，目前通用的表达式见式(4):

其中，σf;是疲劳强度系数，b是疲劳强度指数，εf是疲劳塑性系数，c是疲劳塑性指数。

由Manson-Coffin式拟合得到GH3030合金在各温度下的应变疲劳寿命曲线如图4所示。可看出，随着温度的升高，GH3030合金的疲劳寿命降低。尤其在低寿命区域，800℃时GH3030合金的应变疲劳寿命远远低于600℃和700℃,说明到800℃时，GH3030合金的疲劳性能明显下降。

通过非线性拟合得到基于Manson-Coffin模型的GH3030合金的参数值如表2所示。可以看出，

800℃时，各参数值与600℃和700℃得到的参数值相差甚远，而参数的变化也是由合金的应变疲劳性能决定的。因此，从这一角度也说明了GH3030合金的疲劳性能在800℃已经发生了明显的变化。

3.2.2 含有疲劳极限的应变疲劳寿命预测模型

文献[6]通过对大量的实验数据进行研究，将加于试件上的应变范围△ε分为两个部分：一部分不造成金属的疲劳损伤，即，金属的理论疲劳极限△ε.;另一部分会引起金属的疲劳损伤，也就是损伤应变范围△εp。总应变范围△s,理论疲劳极限△s以及损伤应变范围△cp满足关系式△εD=△ε-△εC。金属的应变疲劳寿命N,与损伤应变范围△εD之间为幂函数关系，见式(5):

式(5)中，c值是疲劳延性系数。文献[9]通过对应变疲劳作能量分析，给出c=-0.5,εy=εf。其中Er为断裂延性。将c值和ε值代入式(5)并整理得出新的含有疲劳极限的应变疲劳寿命式：

Nf=A(△ε-△εC)² (6)

式中，A为应变疲劳抗力系数，是材料常数，△e.为材料的疲劳极限。这两个参数均可通过实验数据拟合得到。当△ε<△ε,时，由式(6)可得N→～。因此，式(6)从理论上表明了金属材料理论疲劳极限的存在。而且式(6)还有一个显著的优点，就是式中仅含有两个物理意义明确的参量。

用式(6)对GH3030合金的实验数据进行拟合得到的应变疲劳寿命曲线如图5所示。

图5表明式(6)可以很好地拟合GH3030合金的应变疲劳数据。得到GH3030合金在600、700和800℃三个温度下含有疲劳极限的应变疲劳寿命表达式见式(7),由式(7)可以看出，在600～800℃,GH3030合金的疲劳极限随温度的升高而降低。

800℃时的疲劳极限远远低于600℃和700℃,从疲劳极限随温度的这一变化也可看出，GH3030合金的疲劳性能在800℃时发生了明显的变化。

t=600℃,N=737.48323×(△εt;-0.18524)-²

t=700℃,N=615.4562×(△εt,-0.12941)-²

t=800℃,N=148.20343×(△εt-0.02310)-² (7)

3.3拟合效果评价

式(4)和式(6)均可描述GH3030合金应变-疲劳寿命关系，但是，不同公式拟合效果是有差别的，这需要运用统计理论对模型的拟合效果进行定量评价四。工程上近似认为，如果各个散点到拟合曲线的水平距离之和最小，则认为模型的拟合效果最好。如果将拟合函数的残差作为拟合值和各散点之间的距离，则可以将残差作为拟合函数拟合效果的评判标准。残差值越小，说明拟合效果越好。

假设在实验过程中，应变水平为n级，每一级有m个散点，且疲劳寿命遵循正态分布，则根据统计理论有如下的变量计算式：

其中，△s,为总应变范围；N为第j级水平下的平均():应变寿命；N为第j级水平下用预测模型得到的寿命计算值；8,为第j级水平下的样本残差；§,为第j级应变水平下的相对残差；∑δ为各级应变水平的相对残差之和。

运用式(8)～(11)计算式(4)和式(6)拟合GH3030合金试验结果的残差值。计算结果见表3。

可以看出，在3个温度下，各级样本残差均随应变范围的减小而增大。这主要是因为金属材料的应变疲劳寿命越长，分布越分散。因此，应变水平越低，疲劳寿命越长，其分布越分散，样本残差值就越大。但是，各级应变水平的相对残差则不遵循这个规律。通过比较发现，在600℃时，除了1.0应变水平下，式(6)的相对残差大于式(4)外，其他应变水平下，式(6)的相对残差均小于式(4),而且式(6)的相对残差之和也小于式(4)。700℃时，式(4)和式(6)的各级相对残差及相对残差之和均相等。800℃时，0.3应变水平下，式(4)的相对残差小于式(6),0.4应变水平下，式(6)的相对残差则小于式(4),其他两级应变水平下两式的相对残差差别不大，且相对残差之和也近似相等。而且，800℃时，两式的相对残差之和远远大于600℃和700℃。说明，这两个公式对GH3030合金800℃疲劳数据的拟合能力已经明显降低。

3 结论

(1) GH3030合金800℃时，应变疲劳寿命已经远远低于600℃和700℃,其硬化指数也明显减小。

(2) Manson-Coffin模型和含有疲劳极限的应变疲劳寿命模型均可对GH3030应变-寿命关系进行描述，并可得到其应变-寿命的具体表达式。

(3)通过残差分析的方法对两式的拟合效果进行比较，在600℃时，含有疲劳极限的应变疲劳寿命模型对GH3030合金应变疲劳实验数据的拟合效果优于Manson-Coffin模型，在700℃和800℃时两式拟合效果相差不大。

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