一种基于松弛蠕变试验预测镍基超级合金长期断裂寿命的方法

《Mechanics of Materials》：An approach to predict long-term rupture life of nickel-based superalloy based on relaxation creep tests

应力松弛与恒载蠕变对镍基超合金DZ411的损伤机制影响研究表明，引入微结构退化损伤参数Da可有效修正基于应力松弛的长期蠕变断裂寿命预测模型，使其在900℃以下温度范围与实验结果吻合，验证了该模型在高温合金失效预测中的适用性。

　　

文康|曹铁山|程从谦|赵杰

大连理工大学材料科学与工程学院，中国大连116024

摘要

通常，测量蠕变断裂寿命需要相对较长的时间，而应力松弛方法由于所需试样数量少、测试时间短，被认为是一种有效的预测断裂寿命的方法。然而，关于如何根据短期松弛蠕变数据估算长期蠕变断裂寿命仍存在争议。本文基于镍基超级合金在两种状态（原始状态和老化状态）下，研究了松弛蠕变与恒载蠕变之间的关系。结果表明，使用原始状态试样进行的松弛蠕变测试所得到的预测模型倾向于高估长期断裂寿命。由于微观结构的退化，松弛蠕变速率会随时间增加。为了解释这一现象，引入了一个损伤参数 D_a 来修正模型。修正模型对长期断裂寿命的预测结果与实验结果非常吻合，并且与LM模型的预测结果相当，从而证实了其在900°C下的有效性。修正模型的微观机制基于Lifshitz–Slyozov–Wagner理论进行了讨论，并量化了在给定温度下 γ′ 微观结构的显著变化与损伤参数 D_a 之间的关系。考虑到微观结构退化的温度依赖性，该模型在更宽的温度范围内得到了验证。尽管在900°C以上该模型会低估断裂寿命，但它仍然是一个有用的参考工具。为了提高预测精度，应在目标温度下对试样进行额外的老化处理，并相应地重新校准修正模型。

引言

金属材料的蠕变和应力松弛行为都反映了时间、应力及温度共同作用下的力学响应特性，这两种实验方法都可以用来揭示导致高温变形的位错运动机制（Yang等人，2016年；Beddoes和Mohammadi，2010年；Kim和Chang，2010年）。因此，蠕变和应力松弛在宏观力学响应和微观物理机制方面存在关联（Zhang等人，2024年）。尽管这两种行为中的应力和蠕变速率结果往往不一致，但大多数蠕变本构方程仍可应用于应力松弛分析（Yang等人，2018a，2020年；Rohde和Pitt，1968年；Rahimi等人，2017年；Lu等人，2021年）。这种应用有助于计算和表征应力松弛行为的关键参数，包括应力敏感指数、变形激活能、激活体积和平均内应力等。这些参数为研究高温变形的物理机制提供了支持。Zong等人（2015年）通过热激活位错运动理论框架研究了应力松弛行为，获得了热激活参数。James等人（James和Davies，1974年）将这一理论应用于大约563 K下的AISI 304不锈钢的应力松弛，发现某些应力松弛曲线中的内应力在松弛过程中并不保持恒定。U. Martin等人（1998年）的研究表明，在应力松弛过程中，微观结构的演变与位错结构的重排和位错密度的降低有关。

此外，获取应力-应变率数据通常依赖于蠕变试验，这需要大量的试样和较长的测试时间，导致效率较低（Hares等人，2018年；D'Souza等人，2020年）。相比之下，应力松弛试验可以在更短的时间内以更低的成本获得更全面的应力-蠕变率数据，为蠕变行为研究提供了重要参考（Beddoes和Mohammadi，2010年；Natal等人，2015年；Peng等人，2020年；Qiu等人，2017年）。然而，在高温长期蠕变过程中会发生显著的微观结构退化。Mitsuharu Yonemura等人（2016年）研究了镍基超级合金中 γ′ 沉积物的生长动力学，发现其在瞬态蠕变阶段从50纳米增加到约100纳米，在稳态蠕变阶段增加到180纳米，在加速蠕变阶段增加到220纳米。Qian Wan等人发现，在Inconel 718合金的长期高温蠕变过程中，δ 相周围的位错积累促进了空洞的形成，导致 δ 相分离和最终裂纹的形成。Zhan等人（2013年）在分析金属材料的蠕变和应力松弛机制时提出了老化假设，他们认为老化损伤的影响主导了蠕变过程，影响金属性能的关键因素是蠕变时间而非变形程度。相比之下，应力松弛试验作为一种短期评估蠕变性能的方法，涉及的微观结构演变相对较小，热老化也不明显。

本研究探讨了不同时间尺度下热暴露对松弛蠕变和恒载蠕变中微观结构退化的差异，并对基于松弛蠕变的预测模型进行了老化损伤修正。分析了长期蠕变过程中的常见损伤类型，并讨论了修正模型与微观结构退化之间的内在相关性。此外，还验证了修正模型在更多温度条件下的预测有效性。

实验材料

实验材料

本研究使用了定向凝固的镍基超级合金DZ411作为研究材料，其高温应力松弛和蠕变行为受到了广泛关注（Sun等人，2025年；Zhuang等人，2024年；Chen等人，2025年；Peng等人，2023年；Liu等人，2023年）。通过X射线荧光分析仪（型号：XRF-1800）确定了其化学成分，主要元素含量为：Cr 13.44%，Co 9.67%，Ti 4.85%

松弛蠕变速率与最小蠕变速率之间的相关性

在松弛过程中，弹性应变转化为蠕变应变，从而导致施加的应力减小。为了保持总应变的恒定，松弛蠕变速率与应力变化速率成反比，即（Li等人，2021a；Barati Rizi等人，2022年）。

如图1(a)所示，展示了原始状态试样在750–980°C温度范围内的应力松弛行为。可以提取每个温度下的 σ-t 数据

老化损伤修正预测模型的微观描述

高温合金中的各种损伤机制会影响断裂行为，蠕变损伤通常分为两种类型。第一种类型是裂纹的产生。空洞的成核、生长和聚合导致蠕变损伤。第二种类型涉及微观结构的退化，主要包括 γ′ 相的粗化和亚结构的软化。

老化损伤修正模型主要考虑了由老化引起的损伤（第二种类型）

结论

本研究基于镍基超级合金，探讨了从短期松弛蠕变数据估算长期蠕变断裂寿命的争议，并提出了一种修正的预测方法。主要结论如下：

1.

基于原始状态材料建立了一个基本的断裂寿命预测模型。然而，使用该基本模型预测断裂寿命得到的结果与实验结果存在偏差，因为未能充分考虑

作者贡献声明

文康：撰写——原始草稿，研究，数据分析。曹铁山：验证，数据管理。程从谦：指导，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了海洋燃气轮机基础研究项目（MGT2023001）和燃气轮机项目科学中心（P2021-A-IV-001-001）的支持。