發(fā)動機高溫構(gòu)件疲勞蠕變實驗

1、發(fā)動機高溫構(gòu)件疲勞/蠕變實驗實驗指導(dǎo)書發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度實驗室2006年3月發(fā)動機高溫構(gòu)件疲勞/蠕變實驗1 實驗?zāi)康?) 進一步鞏固、應(yīng)用學生在固體力學、航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)、強度方面的理論知識，了解航空發(fā)動機熱端部件的疲勞試驗技術(shù)和方法;2) 通過設(shè)計、完成高溫金屬構(gòu)件或試件的高溫疲勞試驗，得到相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，試驗和理論相結(jié)合，發(fā)展疲勞預(yù)測模型。3) 利用概率理論和方法處理試驗得到的數(shù)據(jù)，得到發(fā)動機高溫構(gòu)件/試件的疲勞壽命。2 實驗內(nèi)容及基本原理2.1 金屬材料高溫短時基本力學性能測試在高溫下，金屬的短時力學性能將發(fā)生變化。金屬的短時力學性能包括：強度、延伸率、斷面收縮率，彈性模量等等。試驗將對金屬構(gòu)件

2、在高溫下的短時基本力學性能進行測試，主要目的是對比金屬在高溫和常溫下的力學性能。并繪制金屬高溫應(yīng)力應(yīng)變曲線。2.2 高溫金屬應(yīng)力疲勞疲勞是在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋以致完全斷裂的一種現(xiàn)象，疲勞特性通常用疲勞壽命或疲勞強度表示。一般情況下，其交變的應(yīng)力水平低于材料的屈服強度或拉伸強度的95?？捎枚喾N方式來施加應(yīng)力循環(huán)，包括軸向，反復(fù)彎曲，旋轉(zhuǎn)彎曲，扭轉(zhuǎn)加載等等。影響疲勞試驗的因素有：疲勞試件的表面狀態(tài)，試驗溫度，應(yīng)力比，試驗頻率等等。在疲勞試驗中常用的術(shù)語和定義如下(如圖1所示)：smax，在應(yīng)力循環(huán)中具有最大代數(shù)值的應(yīng)力。以拉應(yīng)力為正；壓應(yīng)力為負。smin，最小應(yīng)力, 在應(yīng)力循環(huán)中具有最小代數(shù)值

3、的應(yīng)力。以拉應(yīng)力為正；壓應(yīng)力為負。sm，平均應(yīng)力, 最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的代數(shù)平均值。sm（smax+smin）/2;sa，應(yīng)力幅(交變應(yīng)力)，在應(yīng)力循環(huán)中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力差之半。sa（smax-smin）/2;R, 應(yīng)力比，在一個應(yīng)力循環(huán)中，最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的代數(shù)比值即Rsmin /smax;sa圖1 典型疲勞載荷一般利用SN曲線來反映材料的疲勞性能。繪制SN曲線時，以試驗應(yīng)力（smax, sa等）為縱坐標，以疲勞壽命為橫坐標，疲勞壽命采用對數(shù)坐標，試驗應(yīng)力可以采用線性坐標，也可以采用對數(shù)坐標。畫圖時應(yīng)將同一種材料不同應(yīng)力比或不同平均應(yīng)力的曲線畫在一張圖中。如果應(yīng)力比相同其他試驗參數(shù)不同(

4、如Kt不同等，Kt為應(yīng)力集中系數(shù))，則也可將曲線畫在一張圖中便于比較。典型的SN曲線如圖2所示。圖2 典型的SN曲線2.3高溫金屬的低周應(yīng)變疲勞物體在循環(huán)受載過程中，局部應(yīng)力或應(yīng)變集中區(qū)材料就會產(chǎn)生循環(huán)塑性應(yīng)變。隨著循環(huán)加載的繼續(xù)，裂紋在這些關(guān)鍵區(qū)域的薄弱點上成核，開始出現(xiàn)微裂紋。隨后，裂紋在塑性區(qū)中擴展，并逐步增長形成可檢的宏觀或工程裂紋。最后裂紋穿過塑性區(qū)繼續(xù)擴張，直至斷裂，如圖3所示。圖3 疲勞斷裂過程示意圖低循環(huán)應(yīng)變疲勞就是研究這類應(yīng)力或應(yīng)變集中區(qū)，諸如拐角、孔邊、溝槽以及各種過渡截面處材料在循環(huán)載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變行為，并估算其裂紋起始壽命的一種方法或手段。低循環(huán)疲勞主要是研究循環(huán)塑

5、性應(yīng)變，試驗時主要控制參量是應(yīng)變而不是應(yīng)力，所以也有人稱它為應(yīng)變疲勞，其失效循環(huán)數(shù)(疲勞壽命)Nf一般低于。 圖4 SN應(yīng)力疲勞曲線 圖5 eN 應(yīng)變疲勞曲線低循環(huán)疲勞包括的范圍很廣，僅受力方式來說就有軸向拉壓的、彎曲的、扭轉(zhuǎn)的，還有單軸、雙軸和多軸的。從力的來源又可分為低循環(huán)機械疲勞和低循環(huán)熱疲勞。但是目前應(yīng)用最廣泛的，基本的是軸向拉壓低循環(huán)疲勞。按控制的試驗參量，低循環(huán)疲勞可分為應(yīng)力控制和應(yīng)變控制兩種方式。但是，若采用應(yīng)力控制，當所要控制的應(yīng)力水平接近或超過材料的屈服強度時，應(yīng)力就要處于不穩(wěn)定或流變狀態(tài)。此時，要使試樣的峰值應(yīng)力達到所要控制的水平是比較困難的。另外，從材料常規(guī)的應(yīng)力疲勞曲線

6、圖4中可知，在高應(yīng)力低壽命區(qū)內(nèi)，應(yīng)力若有少量的變化，對疲勞壽命就有很大的影響?？梢姡敳牧线M入塑性變形時，用應(yīng)力來描述疲勞壽命是不準確的。但用應(yīng)變來描述疲勞壽命就不存在這種現(xiàn)象，如圖5所示。下面對低周疲勞試驗中出現(xiàn)的術(shù)語和概念加以介紹。1）應(yīng)力應(yīng)變滯后環(huán)一個循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖6所示。在低循環(huán)疲勞試驗過程中，可用XY記錄儀繪制出任一循環(huán)周次下的滯后環(huán)，它是反映材料應(yīng)力應(yīng)變行為的原始數(shù)據(jù)。通過它可以測量出每個循環(huán)的塑性應(yīng)變范圍，彈性應(yīng)變范圍，總應(yīng)變范圍以及最大應(yīng)力，最小應(yīng)力和彈性模量E等一系列重要力學參量。圖6 應(yīng)力應(yīng)變滯后環(huán)2）循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線在不同總應(yīng)變范圍下得到的一系列穩(wěn)定滯后環(huán)

7、頂點的軌跡即為循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖7所示。循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線通常有兩種表達形式，一種是以應(yīng)力幅與總應(yīng)變幅來表達，即關(guān)系曲線，其數(shù)學奉達式，為： （1）圖7 循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線圖8 循環(huán)硬化 圖9 循環(huán)軟化另一種是以應(yīng)力幅和塑性應(yīng)變幅來表達，即關(guān)系曲線，其數(shù)學表達式： （2）式中：循環(huán)強度系數(shù)，循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。3）循環(huán)硬化和循環(huán)軟化在循環(huán)加載過程中，材料的力學性能會隨循環(huán)而改變。當控制應(yīng)變恒定時，其應(yīng)力隨循環(huán)數(shù)增加而增加，然后漸趨穩(wěn)定的現(xiàn)象稱為循環(huán)硬化，其應(yīng)力隨循環(huán)數(shù)的增加而降低，然后漸趨穩(wěn)定的現(xiàn)象稱為循環(huán)軟化。當循環(huán)穩(wěn)定時記錄下來的滯后環(huán)叫做穩(wěn)定滯后環(huán)。判斷材料呈現(xiàn)循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化特征，通

8、常是將循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線與單調(diào)拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線在同一座標上進行比較而得知。如圖8和圖9所示。低循環(huán)疲勞的具體試驗內(nèi)容：試驗所要獲得的原始數(shù)據(jù)是在規(guī)定試驗參量(總應(yīng)變范圍，溫度)控制下，隨循環(huán)數(shù)而變化的應(yīng)力范圍和失效循環(huán)數(shù)。這些數(shù)據(jù)可以從試驗系統(tǒng)的電測儀器上直接測量出來，也可以由記錄應(yīng)力應(yīng)變滯后環(huán)來得到。有了這些原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算就可得到彈性應(yīng)變范圍、塑性應(yīng)變范圍。然后，經(jīng)過回歸分析就可獲得以下表征材料低循環(huán)疲勞性能的各種特性曲線及其參量。圖10 低循環(huán)疲勞曲線低循環(huán)疲勞曲線包括，和曲線，通常用雙對數(shù)坐標形式表達，如圖10所示。為總反向數(shù)，等于兩倍的失效循環(huán)數(shù)。三種曲線的推薦繪制方法如下：1）曲線

9、為彈性應(yīng)變幅與疲勞失效時總反向數(shù)的關(guān)系曲線，在雙對數(shù)坐標中，該曲線為一直線，其數(shù)學表達式，為： （3） 式中： 為疲勞強度系數(shù)；為疲勞強度指數(shù)。 用最小二乘法線性擬合一系列(，)數(shù)據(jù)點即得和。彈性應(yīng)變范圍計算如下 （4）式中： 為穩(wěn)定應(yīng)力范圍；為材料彈性模量。2）曲線為塑性應(yīng)變幅與疲勞失效時總反向數(shù)的關(guān)系曲線，在雙對數(shù)坐標中，該曲線也表現(xiàn)為一條直線，其數(shù)學表達式，為： （5）式中： 為疲勞延性系數(shù)；為疲勞延性指數(shù)。用最小二乘法線性擬合一系列(，)數(shù)據(jù)點即得和。3) 曲線為總應(yīng)變幅與疲勞失效時總反向數(shù)的關(guān)系曲線。因，故根據(jù)（10-3）式和（10-5）式可得到該曲線數(shù)學表達式，即： （6）低循環(huán)疲

10、勞試驗應(yīng)提供如下數(shù)據(jù) a 列表給出試驗數(shù)據(jù)及，等各項應(yīng)變疲勞參數(shù)。 b 用圖形表達、和曲線，井給出其數(shù)學表達式。 c 用圖形表達循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線，并給出其數(shù)學表達式。2.4 高溫構(gòu)件的裂紋擴展試驗?zāi)壳埃诠こ虘?yīng)用中通常認為一個零件或結(jié)構(gòu)的疲勞壽命可以分為疲勞裂紋形成壽命和擴展壽命兩部分，即: (7)裂紋形成或起始壽命N0，定義為由微觀缺陷發(fā)展到宏觀可檢裂紋所對應(yīng)的壽命。疲勞裂紋擴展壽命Np，定義為由宏觀可檢裂紋擴展到臨界裂紋而使零件發(fā)生失效這段區(qū)間的壽命。Np取決于零件的初始裂紋長度a0，臨界裂紋長度ac和疲勞裂紋擴展速率da/dN。a0通常取可檢裂紋尺寸，它與無損檢測水平，結(jié)構(gòu)的可檢程度和對

11、其漏檢概率的要求有關(guān)。ac則可根據(jù)零件所承受的最大載荷和斷裂準則加以確定。因此，確定Np的關(guān)鍵問題在于研究各種交變載荷下的疲勞裂紋擴展速率。在研究裂紋擴展試驗中，會用到da/dN，其定義為:在交變載荷或應(yīng)力作用下，每循環(huán)一周所產(chǎn)生的疲勞裂紋擴展量，其單位為mmcycLe。 在疲勞裂紋擴展過程中，其裂紋擴展速率是不斷變化的，對于每一瞬時的裂紋擴展率，等于裂紋長度a隨載荷循環(huán)數(shù)N的變化曲線(即a-N曲線)在該點的斜率，并近似為該點的裂紋長度增量與載荷循環(huán)數(shù)增量的比值(參見圖11)，。圖11 裂紋擴展a-N曲線線彈性斷裂力學認為，裂紋擴展速率是裂紋尖端應(yīng)力強度因子的函數(shù)。的一般表達式為： （8）式中

12、： 與裂紋形狀、加載方式及構(gòu)件幾何形狀有關(guān)的無量綱系數(shù)；名義應(yīng)力；裂紋長度。在疲勞情況下，其裂紋擴展速率被認為是應(yīng)力強度因子范圍的函數(shù)，考慮到還與應(yīng)力比有關(guān)，于是 (9)式中： （10）式中：相應(yīng)于最大交變應(yīng)力作用下的最大應(yīng)力強度因子；：應(yīng)力比，； ：相應(yīng)于最小交變應(yīng)力作用下的最小應(yīng)力強度因子。曲線的繪制：曲線是疲勞裂紋擴展速率試驗的基本曲線或原始數(shù)據(jù)。試驗時，對應(yīng)于一系列循環(huán)數(shù)，測定出其相應(yīng)的裂紋長度。這樣，對于每一試件就可測得一系列數(shù)據(jù)點，。然后，擬合曲線，并求出曲線上各點所對應(yīng)的斜率，即值。與此同時，將所施加的交變應(yīng)力值代入公式(8)和(10)，即可計算出一系列相應(yīng)的值。最后，將得到的一

13、系列成對的，值繪制在雙對數(shù)坐標圖中，就可得到如圖12所示的曲線。曲線可分為三個階段。階段為初始裂紋擴展階段，在這一階段中存在一條垂直漸近線，此處，稱為疲勞裂紋擴展門檻應(yīng)力強度因子范圍，簡稱疲勞門檻值，當時，裂紋停止擴展。階段為中期裂紋擴展階段，即裂紋的亞臨界擴展階段，通常提供的數(shù)據(jù)系指這一階段的裂紋擴展速率。階段為裂紋快速擴展階段，此時，為材料的斷裂韌度。 材料或構(gòu)件的疲勞裂紋擴展速率主要受應(yīng)力強度因子范圍和應(yīng)力比控制，但環(huán)境、頻率、溫度、試樣厚度和晶粒方位等也可能產(chǎn)生強烈的影響。當然，這要依材料對上述諸因素的敏感程度而定。一般來說，相同時，隨的增大而增大。不同的試樣厚度：其裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài)

14、也不相同（平面應(yīng)力、平面應(yīng)變或兩者之混合型），因此，材料對疲勞裂紋擴展呈現(xiàn)出不同的阻力。對于同一種材料，較小的厚度對應(yīng)著較大的阻力，因而其較低。環(huán)境，如溫度和腐蝕介質(zhì)對也會產(chǎn)生明顯的影響，通常材料的隨溫度的上升而增加，隨腐蝕介質(zhì)的加劇而增大。而試驗頻率在環(huán)境的聯(lián)合作用下對的影響變得格外明顯，普遍隨頻率的降低而增加。由于這些條件不同，可以得到不同形狀的曲線。圖12 疲勞裂紋擴展da/dN-DK曲線2.5 金屬材料高溫疲勞/蠕變試驗時間相關(guān)疲勞屬于高溫低循環(huán)疲勞范疇，是高溫和帶保持時間條件下，低循環(huán)疲勞研究的繼續(xù)和發(fā)展?，F(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展要求愈來愈高的工作溫度，并在結(jié)構(gòu)所承受的峰值載荷上保持一定的

15、時間。因此，材料在疲勞循環(huán)過程中，當產(chǎn)生疲勞塑性變形的同時，還會產(chǎn)生與時間相關(guān)的蠕變變形，或產(chǎn)生疲勞蠕變的交互作用。這種疲勞通常稱為時間相關(guān)疲勞。高溫低循環(huán)疲勞裂紋的起始和擴展，可以由與循環(huán)相關(guān)、時間相關(guān)以及兩者兼有的過程而產(chǎn)生。而每一過程對疲勞裂紋起始和擴展的作用，要取決于溫度、加載頻率、載荷峰值保持時間或波形、材料及環(huán)境的因素。高溫下金屬材料疲勞裂紋的起始一般發(fā)生在表面，而蠕變裂紋則發(fā)生在內(nèi)部晶界開裂或形成的空穴及其聯(lián)結(jié)處。因此，疲勞蠕變環(huán)境相互作用下，通?？梢约铀倭鸭y的起始和擴展，導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)疲勞壽命的降低。通常情況下，根據(jù)構(gòu)件的使用條件，在實驗室利用圖13的載荷譜，對試件進行疲勞和蠕

16、變交互作用的試驗。圖13 疲勞/蠕變交互作用試驗載荷譜對材料的低循環(huán)疲勞壽命預(yù)測可以利用了MansonCoffin公式，但是這種方法不能直接用于高溫下的蠕變/疲勞交互作用實驗，因為高溫下蠕變過程對疲勞會帶來很大的影響。在預(yù)測蠕變疲勞交互作用下，構(gòu)件的壽命時，目前常用的方法有：應(yīng)變范圍區(qū)分法，頻率分離法，滯后能損傷函數(shù)法等等，具體方法請參考后面列出的主要參考書。3 實驗使用的儀器設(shè)備及實驗裝置1) 微機控制電子萬能試驗機一臺，載荷范圍±100KN；2）液壓伺服微機控制疲勞試驗機一臺，載荷范圍±100KN；3) 高溫電阻絲加熱爐一套；4）高頻感應(yīng)加熱爐一套；5）試件及爐子冷卻系統(tǒng)一套；6）高溫應(yīng)變引伸計一套。4 具體實驗步驟1）載荷譜及試件設(shè)計；2）試件裝卡；3）啟動加溫系統(tǒng)，將試驗件加溫至制定溫度；4）設(shè)定載荷譜，啟動試驗加載系統(tǒng)；5）記錄加載過程中相關(guān)參數(shù)；6）試件破壞后，停止加載、加溫，關(guān)閉冷卻水。5