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．

This study aims to clarify the fatigue crack development characteristics of Ni-based superalloys under high temperature and high pressure conditions in advanced applications, starting and stopping with fatigue loads and load retention in high temperature environments during stationary operation. In the past year, the load maintenance progress and the influence of the load maintenance characteristics in the pure fatigue load have been tested. As a result, after the load is maintained, the fatigue load is restarted, and the fatigue crack progress rate is reduced for a certain distance. After the fatigue crack progress test, the fatigue crack progress test is restored. This year, we will try to refine the mechanical field of crack tip by DIC and FEA, and quantify the fatigue crack delay after load holding. Specifically, DIC is used to measure the time variation of the field near the crack tip of the load hold. In addition, the strength and anisotropy of crystalline superalloys are considered in FEA. As a result, the stress near the crack tip is relieved during load retention, and the stress is relieved after the fatigue load is reopened. The residual compression force coefficient K and the external load coefficient K are calculated by the residual compression force coefficient ΔKeff. The results obtained from the use of single crystal superalloys are summarized in the following table. When the load is small, the single crystal material and the load are maintained, and the crack is caused by the delay. When the load is large, the crack is caused by the acidification and embrittlement of the grain. A quantitative analysis of the conditions for stress relaxation in the area of load maintenance, stress relaxation in the area of grain acidification, stress relaxation,

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
• 期刊: International Journal of Fatigue
• 影响因子: 6
• 作者: Okamoto Ryota;Suzuki Shiyu;Sakaguchi Motoki;Inoue Hirotsugu
• 通讯作者: Inoue Hirotsugu

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: Shiinoki Masato;Nishimura Yuki;Noboribayashi Kanemaru;Suzuki Shinsuke;南部広孝;鈴木子游，阪口基己，金子秀明，唐戸孝典，鈴木 健太
• 通讯作者: 鈴木子游，阪口基己，金子秀明，唐戸孝典，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: Hu Yingxue;Patmonoaji Anindityo;Xu Haiping;Kaito Kazuki;Matsushita Shintaro;Suekane Tetsuya;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

Crystal Plasticity Mechanism of Temperature-Dependent Crack Propagation in a Single Crystal Nickel-Based Superalloy

• DOI: 10.1007/978-3-030-51834-9_31
• 发表时间: 2020
• 作者: Xiaosheng Chen;M. Sakaguchi;S. Suzuki;H. Inoue;M. Okazaki

デジタル画像相関法を用いたき裂先端のクリープひずみ場のその場計測

数字图像相关法现场测量裂纹尖端蠕变应变场

• 发表时间: 2020
• 作者: Hu Yingxue;She Yun;Patmonoaji Anindityo;Zhang Chunwei;Suekane Tetsuya;岡本竜太，鈴木子游，阪口基己
• 通讯作者: 岡本竜太，鈴木子游，阪口基己