1、2023年 第4期 热加工96检 测T e s t i n g基于JMatPro软件的GH4169合金高温力学性能研究王振，孙连北，范孜耘，张尧成常熟理工学院汽车工程学院 江苏常熟 215500摘要：采用JMatPro软件计算了GH4169合金不同温度、应变速率和析出相对其强度的影响，模拟结果与试验数据保持一致。结果表明：GH4169合金的高温强度随着温度的升高而降低，随着应变速率的增加而提高。该合金在500650下的抗拉强度为11581223MPa，在应变速率0.00001100/s下的抗拉强度为1064.81187.3MPa。晶界处相可保证晶界的稳定，对合金的强度增量为75MPa。Lave
2、s相与基体之间界面为裂纹的形核和生长扩展提供条件，使合金强度下降127MPa。关键词：JMatPro软件；GH4169合金；高温力学性能基金项目：江苏省教育厅高校自然科学基金项目重大项目（19KJA430001）。1 序言GH4169合金因在650以下具有高强度、高抗蠕变性和高疲劳寿命等优异综合性能而被广泛应用于航空制造业，如现代航空发动机中的涡轮盘、叶片和机闸等1，2。制造高性能发动机零部件需了解合金在高温下的塑性行为。熊骏3利用ABAQUS对镍基高温合金的力学行为进行了模拟，发现合金的流动应力在和加载方向上随温度升高先上升、达到峰值后再下降；材料的流动强度在加载方向上随温度升高而降低。ZH
3、OU等4研究了镍基高温合金的微观结构性质与/相共格的相关性，结果表明镍基高温合金的抗拉强度随/相的粗化而降低。宋振峰等5研究了镍基高温合金微观组织和力学性能的演变规律，结果表明IN625合金在700长期时效过程中析出的大量相通过阻碍位错运动，对合金有一定的强化效果，但相的沉淀强化作用严重降低了合金的塑性。JMatPro是以材料性能数据库为基础的软件，可以完成对常规金属材料的性能分析，其数据计算能力强大且操作简单，可确保操作的方便和高效。采用分析软件讨论和研究合金在高温条件下的力学行为，可为试验提供有效技术指导。故本文采用JMatPro软件对GH4169合金在500650及应变速率0.00001
4、100/s下的变形行为进行了分析。2 试验材料及方法采用电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-3000对GH4169合金的成分进行测试，用于软件计算。采用JMatpro软件研究热处理态GH4169合金的力学行为，选择Nickel Based Superalloy模块下的High Temperature Strength功能，分析了温度500650、应变速率0.00001100/s及组成相对合金力学行为的影响。进行计算时，JMatPro软件用Ashby-Oroman公式描述金属间强化，即 pt1.20.84ln2GrML=|bb ()p0.2expmabR=()()mp0.212.54011mmmR
5、Rmm=-|-p0.2nmRK=（1）式中 M泰勒因子；G剪切模量（GPa）；b伯格斯矢量（nm）；L第二相粒子间距（m）；R第二相粒子半径（m）。在计算抗拉强度时，JMatPro引入了加工硬化指数m，即 ()p0.2expmabR=()()mp0.212.54011mmmRRmm=-|-p0.2nmRK=（2）式中 a、b经验系数。在引入加工硬化指数后，抗拉强度方程为2023年 第4期 热加工97检 测T e s t i n g ()()mp0.212.54011mmmRRmm=-|-p0.2nmRK=（3）式中 Rp0.2屈服强度（MPa）；Rm抗拉强度（MPa）。基于以上模型，对热处理态
6、GH4169合金的高温力学性能进行计算。合金试验强度与软件模拟的数据对比如图1所示。JMatPro计算获得的650下GH4169合金的屈服强度和抗拉强度分别为854MPa和1158MPa。计算结果与相关文献报道结果符合良好6-10。0.50.5463fRhT|=.|b （5）式中 位错的强度增量（MPa）；反相边界能量（mJ/m2）；b伯格斯矢量（nm）；f相的体积分数（%）；T位错线张力（N）；R相长轴的一半（m）；h相的厚度（m）。金属塑性变形的应变硬化指数n和应变速率敏感性系数m可认为是恒定值。根据式（4）可知，合金的强度随着应变速率的增加而增大。高温可使GH4169合金的亚稳定相趋于粗
7、化，且高温和大应力会促使相向粗大的相转变。GH4169合金中相厚度的增大和体积分数的减少，导致强化相对位错的阻碍作用降低（见式5），故合金的高温强度随温度的升高而降低。图1试验强度与JMatPro软件模拟的数据对比a）合金强度随温度的变化b）合金强度随应变速率的变化图2不同影响因素下GH4169合金应力-应变曲线3 模拟结果与分析3.1 温度及应变速率对力学性能的影响GH4169合金在不同影响因素下的拉伸应力-应变曲线如图2所示。曲线没有明确的屈服点，以产生0.2%伸长率的应力值为其屈服强度。GH4169合金在高温条件下，应力随应变的增加而增大，达到某个强度极值后随之下降。合金的强度值随温度升
8、高而降低，抗拉强度为11581223MPa，如图2a所示。合金的强度随应变速率增大而增大，抗拉强度为1064.81187.3MPa，如图2b所示。根据式（4）、式（5）可以解释应变速率和温度对合金强度的影响。p0.2nmRK=0.50.5463fRhT|=.|b （4）式中 K强度系数；应变量（mm）；p0.2nmRK=0.50.5463fRhT|=.|b 应变速率（1/s）；n应变硬化指数；m应变速率敏感性系数。位错引起的强度增量可以写为2023年 第4期 热加工98检 测T e s t i n g从图2可发现，应力迅速增加到峰值。这一阶段位错密度不断增加，位错纠缠加剧，导致明显的加工硬化。
9、晶内的/相保证了合金的抗拉强度：相由于非常小的晶格错配而产生较小的残余应力，对强度有适度的提升；而相因具有较大的尺寸，位错会绕过相并在其周围产生新的位错环。这些位错环产生的应力比切割沉淀物时产生的应力高得多，使强度有较大的提升11。应力达到峰值后迅速下降，之后趋于平缓。这一阶段塑性变形量超过临界变形量，发生再结晶。再结晶晶粒的长大会引起异号位错的湮灭而使应力降低。同时，碳和其他合金元素扩散激烈，杂质向晶界聚集，导致晶界极不稳定而使强度降低12。之后由于加工硬化和再结晶逐渐趋于动态平衡，应力-应变曲线达到相对平稳的状态。3.2 析出相对力学性能的影响析出相对GH4169合金力学性能的影响如图3所
10、示。相和Laves相作用下的GH4169合金的屈服强度、抗拉强度分别达854MPa、1158MPa和687MPa、1031MPa，与本次的计算结果745MPa（屈服强度）和1083MPa（抗拉强度）在同一量级，符合总体规律。由图3可知，相对GH4169合金的强度增量为75MPa，而Laves相会使其强度下降127MPa。这主要是因为相在晶界处析出，在热变形过程中，晶粒内部不断产生位错，并向晶界移动。由于相和奥氏体基体之间的非共格关系，会阻碍晶界和位错运动13。Laves相是在合金凝固过程的共晶反应阶段析出，一般呈长条纹状。在GH4169合金高温变形过程中Laves相与奥氏体基体之间界面为性能薄
11、弱区，在残余应力或外加载荷作用下可为裂纹的形核和生长扩展提供条件，不利于合金获得良好的力学性能14。4 结束语1）JMatPro可以较合理地评价GH4169合金在温度、应变速率和析出相等条件下的屈服强度和抗拉强度。2）基于JMatPro计算，GH4169合金在500650下的抗拉强度为11581223MPa，在应变速率0.00001100/s下的抗拉强度为1064.81187.3MPa。强度随温度的降低和应变速率的增大而增加。3）晶内弥散分布的/相在高温塑性变形过程中阻碍晶内位错运动，晶界处相可保证晶界的稳定，从而保证合金的高温强度。Laves相与基体之间界面为裂纹的形核和生长扩展提供了条件，
12、不利于合金获得良好的力学性能。参考文献：1 杜金辉，吕旭东，邓群，等GH4169合金研制进展J中国材料进展，2012，31（12）：11，12-20.2 高圣勇，葛树欣，杨选宏，等温度对GH4169合金蠕变行为及机制的影响J工程科学学报，2023，45（2）：301-309.3 熊骏，李振环，朱亚新，等基于微结构动态演化机制的单晶镍基高温合金晶体塑性本构及其有限元模拟J力学学报，2017，49（4）：763-781.4 Z H O U S H Y，H U M H，L I C H，e t a l Microstructure-performance relationships in Ni-bas
13、ed superalloy with coprecipitation of and phasesJMaterials Science and Engineering：A，2022，855：143954.5 宋振峰，高双，何博，等选区激光熔化IN625镍基高温合金长期热暴露组织及性能演变规律研究J中国激光，2022，49（14）：350-359.6 SUN SH H，KOIZUMI Y，SAITO T，et al Electron beam additive manufacturing of Inconel 718 alloy rods:Impact of build direction on
14、microstructure and high-temperature tensile propertiesJAdditive Manufacturing，2018，23：457-470.图3析出相对GH4169合金力学性能的影响2023年 第4期 热加工99检 测T e s t i n g7 ZHANG SH H，ZHANG H Y，CHENG MTensile deformation and fracture characteristics of delta-processed Inconel 718 alloy at elevated temperatureJMaterials Scie
15、nce and Engineering：A，2011，528：6253-6258.8 MCLOUTH TD，WITKIN D B，LOHSER J R，et alTemperature and strain-rate dependence of the elevated temperature ductility of Inconel 718 prepared by selective laser meltingJMaterials Science and Engineering：A，2021，824：141814.9 LI W B，PANG J C，ZHANG H，et alThe high
16、-cycle fatigue properties of selective laser melted Inconel 718 at room and elevated temperaturesJMaterials Science and Engineering：A，2022，836：142716.10 ZHANG L，SHI X X，LI N，et alHeterogeneities of microstructure and mechanical properties for inconel 718 strut tensile sample fabricated by selective laser meltingJJournal of Materials Research and Technology，2021，12：2396-2406.11 MING K SH，BI X F，WANG JRealizing strength-ductility combination of coarse-grained Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti0.3 alloy via nan
