Temperature and time dependent mechanism of fatigue crack propagation in Ni-base superalloy

镍基高温合金中疲劳裂纹扩展的温度和时间相关机制

• 批准号: 20J14882
• 负责人: 鈴木 子游
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J14882/
• 关键词: Ni基超合金; クリープ疲労き裂進展; クリープ損傷; 応力緩和; き裂閉口; 有限要素解析; デジタル画像相関法; 結晶粒界; 結晶粒径

本研究は，先進ガスタービンの高温・高圧部材として用いられるNi基超合金を対象に，起動・停止に伴う疲労負荷と定格運転時の高温環境での負荷保持が加わる場合の，クリープ疲労き裂進展特性を明らかにすることを目的とした．前年度では，負荷保持がき裂進展に与える影響を抽出するため，純粋な疲労負荷中に単発の負荷保持を導入した特徴的なクリープ疲労き裂進展試験を実施した．その結果，負荷保持後に疲労負荷を再開すると，疲労き裂進展速度が一定の距離の間低下し，その後純粋な疲労き裂進展試験で得られた値に回復することが明らかになった．本年度では，デジタル画像相関法（DIC）と有限要素解析（FEA）によりき裂先端力学場を精査し，負荷保持後の疲労き裂の遅延を定量化することを試みた．具体的には，DICにより，負荷保持中のき裂先端近傍のクリープひずみ場の時間変化を計測した．また，DICで得られたひずみ場を参照値とし，単結晶超合金の強い結晶異方性を考慮した弾塑性クリープFEAを行い，き裂先端近傍の応力場を評価した．その結果，負荷保持中のクリープ変形に伴いき裂先端近傍で応力が緩和し，疲労負荷再開後に緩和した応力が圧縮応力として残留することが明らかになった．この残留圧縮応力による応力拡大係数Kと外負荷によるKと重ね合わせることで有効応力拡大係数範囲ΔKeffを求め，負荷保持後の疲労き裂の遅延挙動を定量化することに成功した．以上は単結晶超合金を用いて得られた結果であるが，さらに多結晶超合金を用いて同様のクリープ疲労き裂進展試験を実施した．負荷応力が小さい場合は，単結晶材と同様に負荷保持後にき裂の遅延が生じた一方，負荷応力が大きくなると，粒界の酸化・脆化によりき裂の加速が生じた．負荷保持中にき裂前方に生じる応力緩和の領域と，粒界が酸化する領域の相対的な寸法に基づき，き裂進展が遅延から加速へと遷移する条件の定量化を試みた．

本研究重点研究用作先进燃气轮机高温高压部件的镍基高温合金在额定运行期间在高温环境下施加与启动和停机以及负载保持相关的疲劳载荷时的蠕变疲劳裂纹。一是明确发展特点。去年，为了提取保持载荷对裂纹扩展的影响，我们进行了独特的蠕变疲劳裂纹扩展试验，在纯疲劳载荷过程中引入了单次保持载荷。结果表明，当保持载荷后恢复疲劳加载时，疲劳裂纹扩展速率下降一定距离，然后恢复到纯疲劳裂纹扩展试验中获得的值。今年，我们使用数字图像相关（DIC）和有限元分析（FEA）研究了裂纹尖端机械场，并尝试量化负载保持后的疲劳裂纹延迟。具体来说，DIC 用于测量在保持负载时裂纹尖端附近蠕变应变场的时间变化。此外，以DIC获得的应变场为参考值，考虑到单晶高温合金强的晶体各向异性，进行弹塑性蠕变有限元分析，评估裂纹尖端附近的应力场。结果表明，在载荷保持过程中，由于蠕变变形，裂纹尖端附近的应力发生松弛，并且在疲劳载荷恢复后，松弛的应力仍以压应力的形式存在。通过将残余压应力产生的应力强度因子 K 与外部载荷产生的 K 叠加，我们确定了有效应力强度因子范围 ΔKeff，并成功量化了负载保持后疲劳裂纹的延迟行为。虽然上述结果是使用单晶高温合金获得的，但是使用多晶高温合金进行了类似的蠕变疲劳裂纹扩展试验。当施加的应力小时，与单晶材料类似，在保持负载后，裂纹延迟，但当施加的应力大时，由于晶界的氧化和脆化，裂纹加速。我们试图根据负载保持期间裂纹前面发生的应力松弛区域和晶界氧化区域的相对尺寸来量化裂纹扩展从延迟到加速转变的条件。

项目成果

Evolution of short-term creep strain field near fatigue crack in single crystal Ni-based superalloy measured by digital image correlation

数字图像相关测量单晶镍基高温合金疲劳裂纹附近短期蠕变应变场的演化

• DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2022.106952
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 6
• 作者: Okamoto Ryota; Suzuki Shiyu; Sakaguchi Motoki; Inoue Hirotsugu
• 通讯作者: Inoue Hirotsugu

多結晶Ni基超合金の温度依存型疲労き裂進展に与える結晶粒界の影響

晶界对多晶镍基高温合金随温度变化的疲劳裂纹扩展的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: 鈴木子游;阪口基己;田口丈哲;道免昌哉;金子秀明;唐戸孝典;鈴木健太
• 通讯作者: 鈴木健太

多結晶Ni基超合金の温度依存型疲労き裂進展に与える結晶粒界の影響

晶界对多晶镍基高温合金随温度变化的疲劳裂纹扩展的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: 鈴木子游;阪口基己;田口丈哲;道免昌哉;金子秀明;唐戸孝典;鈴木健太
• 通讯作者: 鈴木健太

Competing Mechanism of Creep Damage and Stress Relaxation in Creep-fatigue Crack Propagation in Ni-base Superalloys

镍基高温合金蠕变疲劳裂纹扩展中蠕变损伤与应力松弛的竞争机制

• 发表时间: 2021
• 作者: Shiyu Suzuki; Motoki Sakaguchi; Ryota Okamoto; Hideaki Kaneko; Takanori Karato; Kenta Suzuki; Masakazu Okazaki
• 通讯作者: Masakazu Okazaki

Ni基超合金の2次元多結晶体を用いた結晶粒界近傍の温度依存型疲労き裂進展の検討

使用二维多晶镍基高温合金研究晶界附近随温度变化的疲劳裂纹扩展

• 发表时间: 2021
• 作者: 鈴木子游;阪口基己;金子秀明;唐戸孝典;鈴木 健太
• 通讯作者: 鈴木 健太