发动机高温构件疲劳蠕变实验指导书

《发动机高温构件疲劳/蠕变实验》

实验指导书

发动机结构强度实验室

2006年3月

发动机高温构件疲劳/蠕变实验

1 实验目的

1) 进一步巩固、应用学生在固体力学、航空发动机结构、强度方面的理论知识，了解航空发动机热端部件的疲劳试验技术和方法;

2) 通过设计、完成高温金属构件或试件的高温疲劳试验，得到相关试验数据，试验和理论相结合，发展疲劳预测模型。

3) 利用概率理论和方法处理试验得到的数据，得到发动机高温构件/试件的疲劳寿命。

2 实验内容及基本原理

2.1 金属材料高温短时基本力学性能测试

在高温下，金属的短时力学性能将发生变化。金属的短时力学性能包括：强度、延伸率、断面收缩率，弹性模量等等。

试验将对金属构件在高温下的短时基本力学性能进行测试，主要目的是对比金属在高温和常温下的力学性能。并绘制金属高温应力－应变曲线。

2.2 高温金属应力疲劳

疲劳是在交变应力作用下产生裂纹以致完全断裂的一种现象，疲劳特性通常用疲劳寿命或疲劳强度表示。一般情况下，其交变的应力水平低于材料的屈服强度或拉伸强度的95％。可用多种方式来施加应力循环，包括轴向，反复弯曲，旋转弯曲，扭转加载等等。影响疲劳试验的因素有：疲劳试件的表面状态，试验温度，应力比，试验频率等等。

在疲劳试验中常用的术语和定义如下(如图1所示)：

?max，在应力循环中具有最大代数值的应力。以拉应力为正；压应力为负。

?min，最小应力, 在应力循环中具有最小代数值的应力。以拉应力为正；压应力为负。 ?m，平均应力, 最大应力和最小应力的代数平均值。?m＝（?max+?min）/2;

?a，应力幅(交变应力)，在应力循环中最大应力与最小应力差之半。?a＝（?max-?min）/2; R, 应力比，在一个应力循环中，最小应力与最大应力的代数比值即R＝?min /?max;

?a

图1 典型疲劳载荷

1

一般利用S－N曲线来反映材料的疲劳性能。绘制S－N曲线时，以试验应力（?max, ?a等）为纵坐标，以疲劳寿命为横坐标，疲劳寿命采用对数坐标，试验应力可以采用线性坐标，也可以采用对数坐标。画图时应将同一种材料不同应力比或不同平均应力的曲线画在一张图中。如果应力比相同其他试验参数不同(如Kt不同等，Kt为应力集中系数)，则也可将曲线画在一张图中便于比较。典型的S－N曲线如图2所示。

图2 典型的S－N曲线

2.3高温金属的低周应变疲劳

物体在循环受载过程中，局部应力或应变集中区材料就会产生循环塑性应变。随着循环加载的继续，裂纹在这些关键区域的薄弱点上成核，开始出现微裂纹。随后，裂纹在塑性区中扩展，并逐步增长形成可检的宏观或工程裂纹。最后裂纹穿过塑性区继续扩张，直至断裂，如图3所示。

图3 疲劳断裂过程示意图

低循环应变疲劳就是研究这类应力或应变集中区，诸如拐角、孔边、沟槽以及各种过渡截面处材料在循环载荷作用下的应力—应变行为，并估算其裂纹起始寿命的一种方法或手段。低循环疲劳主要是研究循环塑性应变，试验时主要控制参量是应变而不是应力，所以也有人称它为应变疲劳，其失效循环数(疲劳寿命)Nf一般低于5?10。

2

4

图4 S－N应力疲劳曲线 图5 ?－N 应变疲劳曲线

低循环疲劳包括的范围很广，仅受力方式来说就有轴向拉压的、弯曲的、扭转的，还有单轴、双轴和多轴的。从力的来源又可分为低循环机械疲劳和低循环热疲劳。但是目前应用最广泛的，基本的是轴向拉压低循环疲劳。按控制的试验参量，低循环疲劳可分为应力控制和应变控制两种方式。但是，若采用应力控制，当所要控制的应力水平接近或超过材料的屈服强度时，应力就要处于不稳定或流变状态。此时，要使试样的峰值应力达到所要控制的水平是比较困难的。另外，从材料常规的S?N应力疲劳曲线图4中可知，在高应力低寿命区内，应力若有少量的变化，对疲劳寿命就有很大的影响。可见，当材料进入塑性变形时，用应力来描述疲劳寿命是不准确的。但用应变来描述疲劳寿命就不存在这种现象，如图5所示。

下面对低周疲劳试验中出现的术语和概念加以介绍。 1）应力—应变滞后环

一个循环内的应力—应变关系曲线，如图6所示。在低循环疲劳试验过程中，可用X—Y记录仪绘制出任一循环周次下的滞后环，它是反映材料应力—应变行为的原始数据。通过它可以测量出每个循环的塑

??p??????性应变范围，弹性应变范围e，总应变范围t以及最大应力max，最小应力min和弹性模量E等一系列重要力学参量。

图6 应力－应变滞后环

3

2）循环应力—应变曲线

在不同总应变范围下得到的一系列稳定滞后环顶点的轨迹即为循环应力—应变曲线，如图7所示。 循环应力—应变曲线通常有两种表达形式，一种是以应力幅与总应变幅来表达，即系曲线，其数学奉达式，为：

??/2???t/2关

??t????n1'??(')22E2K （1）

图7 循环应力－应变曲线

图8 循环硬化 图9 循环软化

另一种是以应力幅和塑性应变幅来表达，即

??/2???p/2关系曲线，其数学表达式：

??2?K'(??p2)n' 式中：K'

——循环强度系数，n'——循环应变硬化指数。

4

2） （

3）循环硬化和循环软化

在循环加载过程中，材料的力学性能会随循环而改变。当控制应变恒定时，其应力随循环数增加而增加，然后渐趋稳定的现象称为循环硬化，其应力随循环数的增加而降低，然后渐趋稳定的现象称为循环软化。当循环稳定时记录下来的滞后环叫做稳定滞后环。判断材料呈现循环硬化还是循环软化特征，通常是将循环应力—应变曲线与单调拉伸应力—应变曲线在同一座标上进行比较而得知。如图8和图9所示。

低循环疲劳的具体试验内容：试验所要获得的原始数据是在规定试验参量(总应变范围，温度…)控制下，随循环数而变化的应力范围??和失效循环数

Nf。这些数据可以从试验系统的电测仪器上直接测量

出来，也可以由记录应力—应变滞后环来得到。有了这些原始数据，经过计算就可得到弹性应变范围塑性应变范围

??e、

??p。然后，经过回归分析就可获得以下表征材料低循环疲劳性能的各种特性曲线及其参量。

图10 低循环疲劳曲线

低循环疲劳曲线包括达，如图10所示。

1）

??e/2?2Nf，

??p/2?2Nf和

??t/2?2Nf曲线，通常用双对数坐标形式表

2Nf为总反向数，等于两倍的失效循环数。三种曲线的推荐绘制方法如下：

??e/2?2Nf曲线为弹性应变幅与疲劳失效时总反向数的关系曲线，在双对数坐标中，该曲线为

一直线，其数学表达式，为：

??e?f?(2Nf)b （3） 2E 式中：

'?f'为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数。

'lg2Nf??? 用最小二乘法线性拟合一系列(lg??/2，)数据点即得f和b。弹性应变范围e计算

如下

??e?式中： ??为稳定应力范围；E为材料弹性模量。 2）

?? （4） E??p/2?2Nf曲线为塑性应变幅与疲劳失效时总反向数的关系曲线，在双对数坐标中，该曲线也

表现为一条直线，其数学表达式，为：

5

??p2式中：

??f'(2Nf)c （5）

?f'为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数。

用最小二乘法线性拟合一系列(3)

lg??p/2，

lg2Nf)数据点即得

?f'和c。

??t/2?2Nf曲线为总应变幅与疲劳失效时总反向数的关系曲线。因

??t???e???p，故根据

（10-3）式和（10-5）式可得到该曲线数学表达式，即：

??t?f?(2Nf)b??f'(2Nf)c2E （6）

低循环疲劳试验应提供如下数据

''? a． 列表给出试验数据及，b，f，c，k，n等各项应变疲劳参数。

??t/2?2Nf??e/2?2Nf??p/2?2Nf'?f'' b． 用图形表达、和曲线，井给出其数学表达式。

c． 用图形表达循环应力—应变曲线，并给出其数学表达式。

2.4 高温构件的裂纹扩展试验

目前，在工程应用中通常认为一个零件或结构的疲劳寿命可以分为疲劳裂纹形成寿命和扩展寿命两部分，即:

Nf?No?Np (7)

裂纹形成或起始寿命N0，定义为由微观缺陷发展到宏观可检裂纹所对应的寿命。疲劳裂纹扩展寿命Np，定义为由宏观可检裂纹扩展到临界裂纹而使零件发生失效这段区间的寿命。Np取决于零件的初始裂纹长度a0，临界裂纹长度ac和疲劳裂纹扩展速率da/dN。a0通常取可检裂纹尺寸，它与无损检测水平，结构的可检程度和对其漏检概率的要求有关。ac则可根据零件所承受的最大载荷和断裂准则加以确定。因此，确定Np的关键问题在于研究各种交变载荷下的疲劳裂纹扩展速率。

在研究裂纹扩展试验中，会用到da/dN，其定义为:在交变载荷或应力作用下，每循环一周所产生的疲劳裂纹扩展量，其单位为mm／cycLe。 在疲劳裂纹扩展过程中，其裂纹扩展速率是不断变化的，对于每一瞬时的裂纹扩展率，等于裂纹长度a随载荷循环数N的变化曲线(即a-N曲线)在该点的斜率，并近似为该点的裂纹长度增量?a与载荷循环数增量?N的比值(参见图11)，da/dN??a/?N。

6

图11 裂纹扩展a-N曲线

线弹性断裂力学认为，裂纹扩展速率是裂纹尖端应力强度因子K的函数。K的一般表达式为：

K??aY……………………………………………………（8）

式中： Y——与裂纹形状、加载方式及构件几何形状有关的无量纲系数；?——名义应力；a——裂纹长度。

在疲劳情况下，其裂纹扩展速率被认为是应力强度因子范围的?K函数，考虑到da/dN还与应力比R有关，于是

da?f(?K,R)dN (9)

式中：

式中：

?K?Kmax(1?R) （10）

Kmax：相应于最大交变应力作用下的最大应力强度因子；R：应力比，

R?Kmin/Kmax；

Kmin：

相应于最小交变应力作用下的最小应力强度因子。

应于一系列循环数然后，拟合

da/dN??K曲线的绘制：a?N曲线是疲劳裂纹扩展速率试验的基本曲线或原始数据。试验时，对

NiaiaiNi，测定出其相应的裂纹长度

。这样，对于每一试件就可测得一系列数据点[

，]。

ai?Ni曲线，并求出曲线上各点所对应的斜率，即

(da/dN)i值。与此同时，将所施加的交变

应力值代入公式(8)和(10)，即可计算出一系列相应的

?Ki值。最后，将得到的一系列成对的[

(da/dN)i，

?Ki]值绘制在双对数坐标图中，就可得到如图12所示的da/dN??K曲线。

此处

da/dN??K曲线可分为三个阶段。阶段Ⅰ为初始裂纹扩展阶段，在这一阶段中存在一条垂直渐近线，

?K??Kth?Kth?K??Kth，

称为疲劳裂纹扩展门槛应力强度因子范围，简称疲劳门槛值，当

时，

裂纹停止扩展。阶段Ⅱ为中期裂纹扩展阶段，即裂纹的亚临界扩展阶段，通常提供的da/dN数据系指这一阶段的裂纹扩展速率。阶段Ⅲ为裂纹快速扩展阶段，此时的断裂韧度。

材料或构件的疲劳裂纹扩展速率主要受应力强度因子范围和应力比控制，但环境、频率、温度、试样

7

?K??KC，

?KC?KC(1?R)，

KC

为材料

厚度和晶粒方位等也可能产生强烈的影响。当然，这要依材料对上述诸因素的敏感程度而定。一般来说，

?K相同时，da/dN随R的增大而增大。不同的试样厚度：其裂纹尖端的应力状态也不相同（平面应力、

平面应变或两者之混合型），因此，材料对疲劳裂纹扩展呈现出不同的阻力。对于同一种材料，较小的厚度对应着较大的阻力，因而其da/dN较低。环境，如温度和腐蚀介质对da/dN也会产生明显的影响，通常材料的da/dN随温度的上升而增加，随腐蚀介质的加剧而增大。而试验频率在环境的联合作用下对

da/dN的影响变得格外明显，普遍随频率的降低而增加。由于这些条件不同，可以得到不同形状的da/dN??K曲线。

图12 疲劳裂纹扩展da/dN-?K曲线

2.5 金属材料高温疲劳/蠕变试验

时间相关疲劳属于高温低循环疲劳范畴，是高温和带保持时间条件下，低循环疲劳研究的继续和发展。现代科学技术的发展要求愈来愈高的工作温度，并在结构所承受的峰值载荷上保持一定的时间。因此，材料在疲劳循环过程中，当产生疲劳塑性变形的同时，还会产生与时间相关的蠕变变形，或产生疲劳—蠕变的交互作用。这种疲劳通常称为时间相关疲劳。

高温低循环疲劳裂纹的起始和扩展，可以由与循环相关、时间相关以及两者兼有的过程而产生。而每一过程对疲劳裂纹起始和扩展的作用，要取决于温度、加载频率、载荷峰值保持时间或波形、材料及环境的因素。高温下金属材料疲劳裂纹的起始一般发生在表面，而蠕变裂纹则发生在内部晶界开裂或形成的空穴及其联结处。因此，疲劳—蠕变—环境相互作用下，通常可以加速裂纹的起始和扩展，导致材料和结构疲劳寿命的降低。

通常情况下，根据构件的使用条件，在实验室利用图13的载荷谱，对试件进行疲劳和蠕变交互作用的试验。

图13 疲劳/蠕变交互作用试验载荷谱

对材料的低循环疲劳寿命预测可以利用了Manson—Coffin公式，但是这种方法不能直接用于高温下的蠕变/疲劳交互作用实验，因为高温下蠕变过程对疲劳会带来很大的影响。在预测蠕变—疲劳交互作用下，构件的寿命时，目前常用的方法有：应变范围区分法，频率分离法，滞后能损伤函数法等等，具体方法请参考后面列出的主要参考书。

8

3 实验使用的仪器设备及实验装置

1) 微机控制电子万能试验机一台，载荷范围?100KN； 2）液压伺服微机控制疲劳试验机一台，载荷范围?100KN； 3) 高温电阻丝加热炉一套； 4）高频感应加热炉一套； 5）试件及炉子冷却系统一套； 6）高温应变引伸计一套。

4 具体实验步骤

1）载荷谱及试件设计； 2）试件装卡；

3）启动加温系统，将试验件加温至制定温度； 4）设定载荷谱，启动试验加载系统； 5）记录加载过程中相关参数；

6）试件破坏后，停止加载、加温，关闭冷却水。

5 实验准备及预习要求

1）阅读如下参考书中的一本(以a为主)

a) 何晋瑞，金属高温疲劳，科学出版社，1988；

b) 平 修二，金属材料的高温强度理论?设计，科学出版社，1983

2）认真阅读试验指导书，在老师答疑和同学讨论的基础上，完成实验准备任务： a)了解高温构件破坏试验的特点;

b) 了解不同试验的数据处理和寿命预测模型

6 实验报告内容及格式

1. 实验目的 2. 实验内容 3. 实验装置

4. 实验原理（测试实验系统图） 5. 实验步骤

6. 实验结果与分析（包括实验数据、处理图形、主要关系式和有关程序）

9

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tdzt.html