مطالعه رفتار خستگی کم چرخه در سوپر آلیاژ پایه نیکل ریخته شده به روش انجماد جهت‌دار در دمای اتاق و دمای بالا

از سوپر آلیاژهای پایه نیکل به دلیل خواص مکانیکی قابل قبول در دمای بالا در پره توربین های گازی و نیز موتورهای هوایی استفاده می شود. این قطعات داغ حین سرویس، تحت مکانیزم های تخریبی نظیر خستگی، اکسیداسیون و خزش قرار دارند. یکی از روش های بهبود عملکرد و افزایش عمر این قطعات، کاهش مرز دانه ها در ریزساختار سوپر آلیاژ حین فرآیند ریخته گری است. در این پژوهش به بررسی رفتار خستگی کم چرخه یک سوپر آلیاژ پایه نیکل با ریزساختار انجماد جهت دار در دمای اتاق و دمای بالا پرداخته شد نمونه ریخته شده دارای ریزساختاری با جهت مرجح کریستالوگرافی [100] بودند. به منظور دستیابی به ساختار بهینه در سوپر آلیاژ، سه مرحله عملیات حرارتی روی نمونه ها انجام شد. آزمون های خستگی به روش کرنش کنترلی و نسبت بار صفر و با فرکانس hz0.3 هم در دمای °c800 و هم دمای اتاق انجام شد. از میکروسکوپ های نوری و الکترونی روبشی برای مطالعه ریزساختار و سطح شکست نمونه ها استفاده شد. پس از انجام آزمون های خستگی، نمودارهای کافین- مانسون به منظور بررسی رابطه میان کرنش اعمالی و عمر نمونه ها رسم گردید. نتایج نشان می دهد که با افزایش دما منحنی کافین- مانسون به پایین دستگاه مختصات انتقال و شیب و عرض از مبدا منحنی با افزایش دما کاهش می یابد. بررسی منحنی های هیسترزیس هم نشان می دهد که با افزایش دما تنش بیشینه اعمالی به نمونه کاهش یافته و حلقه هیسترزیس بازتر می شود که نشان از نرم شدن ماده حین بارگذاری سیکلی است. مطالعه سطح شکست نمونه ها نشان داد که جوانه زنی ترک های خستگی از سطح نمونه آغاز می شود. مشاهده شد که جوانه زنی ترک از یک ذره کاربیدی در سطح آغاز شد. در نرخ کرنش پایین، خطوط ساحلی در ناحیه خستگی سطح شکست مشاهده شد. با توجه به اینکه ناحیه خستگی درصد کمی از سطح شکست را تشکیل می دهد، مرحله رشد ترک، کنترل کننده شکست خستگی است. مشاهده شد که در دمای اتاق رشد ترک خستگی به صورت درون دانه ای و در دمای بالا به صورت مرزدانه ای روی می دهد. شکست نهایی در نمونه ها با شکست دندریتی رخ می دهد.

investigation on fatigue behavior of a nickel based superalloy at room and elevated temperature

nickel based superalloys are used to manufacture turbine blades because of their excellent mechanical properties at high temperatures. these blades are subjected to temperature fluctuations, oxidation, centrifugal and vibrational forces during service. as a result, mechanisms such as oxidation creep, fatigue facilitate damages and decrease the life of the component. several researches have shown that decreasing the number of grain boundaries would increase the creep resistance of the blade at high temperatures. this was the beginning point of development of directionally solidified and single crystal microstructures for superalloys. in this research, the behavior of a directionally solidified nickel based superalloy under cyclic mechanical loads was investigated. isothermal fatigue tests were carried out at room and elevated temperatures in strain controlled condition. coffin-manson equation was plotted to study the relationship between the number of cycle to failure and applied plastic strain. hysteresis loops of stress vs. strain were plotted to see the hardening and softening behavior of the superalloy under cyclic loading. scanning electron microscopy was used to study patterns of crack nucleation and growth on the fracture surface of different samples. it was observed that at high temperature the hardening coefficient decreased in comparison with the coefficient at room temperature. hysteresis at half-life showed microstructural softening, it was also found out the nucleation of the cracks occurred at oxide particles and small surface defects at both temperatures and the cracks grew transgranularly at room temperature while grain boundary cracking is observed at high temperature.