复杂应力状态下20g材料热机械疲劳试验研究

复杂应力状态下20g材料热机械疲劳试验研究

摘要:现代工业正在向着高速、高温、高压的方向发展,疲劳问题严重威胁着现代工业设备的安全。据统计,在各类零部件的断裂失效中,约有80%是疲劳破坏引起的,其中常见的一种疲劳失效为复杂应力状态的热机械疲劳失效,因为其涉及高应变循环载荷、温度循环载荷、蠕变载荷和环境效应等,目前对这个复杂过程的机制还没有一个完整性的认识,对它的物理和力学模型的讨论也未能有一个统一的定论。所以对热机械疲劳问题的研究具有巨大的理论和工程实际意义。本文通过对焦碳塔常用材料20g进行热机械疲劳总寿命试验,比较了不同缺口形式、不同应变幅、不同保载时间对热机械疲劳总寿命的影响。

关键词:热机械疲劳 总寿命 20g材料 复杂应力状态

据统计,在各类零部件的断裂失效中,约有80％是疲劳破坏引起的,而发生失效的零部件大都处于高温状态,所以研究材料和零部件的高温疲劳强度具有十分重要的意义[1]。

在部件的高温疲劳损伤研究中,最为复杂的课题之一是低周热机械疲劳问题 (Thermo-mechanical Fatigue),它涉及到高应变循环载荷、温度循环载荷、蠕变载荷和环境效应等多种因素。目前对这个复杂过程的机制还没有一个完整性的认识,近年来随着疲劳试验机性能的提高,计算机应用技术的发展,人们开始系统地做了一些高温合金和高温复合材料的热机械疲劳试验,为开展热机械疲劳的机理分析和寿命预测提供了有用的数据[6]。

早期的研究都仅限于简单应力下的热机械疲劳,1984年6月美国宇航局开始致力于高温合金材料复杂应力状态下的热机械疲劳行为研究。然而,在试验技术方面,由于热机械疲劳试验难度较大,又因设备的差异,很难实现各国试验方法的统一。我国对热机械疲劳的研究起步较晚,从事这项研究工作的学者也不多由于经费的限制,该领域的研究成果甚少。

1 试验研究内容

本试验研究内容主要包括:

(1)采用材料20g,加工出复杂应力状态疲劳研究所用圆柱形缺口试样,进行热机械疲劳试验;

(2)比较了不同缺口形式、不同应变幅、不同保载时间对热机械疲劳总寿命的影响。

2 试验概述

试验设备:中国科学院金属研究所失效分析中心的MTS880试验机。

试验材料:试验材料采用20g。表1为20g材料的化学成分,表2为20g的机械性能。

试样形状和尺寸:

试样分两种,一种是光滑圆柱形试样,用于试验材料的单拉性能和循环应力应变关系,如图1所示;另一种是为带缺口的圆柱形试样,通过改变缺口形式,单向加载后在缺口处产生不同分量比的复杂应力。

采用带缺口的圆柱形试样进行复杂应力状态下热机械疲劳试验,具有以下优点:

(1)可用一般的单轴疲劳加载试验机完成复杂应力状态下的疲劳试验,避免了采用造价昂贵的多轴加载试验机;

(2)在单向施加拉压载荷,利用试样几何形状(即缺口)产生非均匀的轴向、周向和径向三维应力、应变分量。这种加载方式在试样应力集中处的应力响应与石油化工容器及设备中疲劳破坏处的受载方式相近。

本试验试样工作长度(即应变规标定长度)为25mm(标距段抛光处理),缺口深度为0.5mm。缺口尺寸分别为:R=0.75,1.5,3。试样具体尺寸如图1、图2所示。

其中,R=0.75的试件13根,R=1.5的3根,R=3的1根。

2.1 试验参数的确定

2.1.1 载荷控制方式

对实际的工程结构来说,无论该结构实际承受的外加载荷是应力、应变还是温度载荷,其应力集中处的变形总是受到周围弹性体的约束,即其变形总是受应变控制的。因此,本试验所采用的载荷控制方式为应变控制。

应变控制有轴向和径向应变控制两种方式。轴向应变控制可以得到比较大的位移量,控制精度较高。因此本试验选用轴向应变控制。通过实际试验操作结果对比,本试验的应变幅选取:1.3%、1.4%、1.6%、1.7%、1.8%。

2.1.2 循环波形的选择

采用两种循环波形,一种是温度和应变同相、无保载的三角形波形,三角形波形能保持应变速率在整个拉伸和压缩过程中不变化,其滞后环具有明显的尖顶,本试验取应力比为0,波形如图3(a)所示;另一种是采用温度和应变同相,上保载的热-机械总应变控制波形,符合焦碳塔实际载荷条件,如图3(b)所示。通过有、无保载试验的比较载荷保持时间的影响。

2.1.3 试验环境及温度的选择和控制

温度为100～480℃的热交变环境。加热方式为线圈加热,将热电偶点焊固定在试样表面,由温度控制台来控制、调整、保持温度,冷却采用压缩空气强风冷却,速度快,整个加热区域各方向都布置有冷却喷嘴,保证冷却均匀。高温应变测量系统和热电偶测温系统组成两个闭合回路,通过计算机控制软件,自动测量与控制应变和温度循环的幅度、频率及相位关系,应变的测量是由高精度高温应变引伸计来实现的。

2.2 试验内容和试验结果

(1)20℃、480℃材料的单拉性能试验;

(2)480℃材料的循环应力应变性能试验;

(3)热机械循环载荷下的疲劳总寿命试验;

单拉和循环特性曲线测定及分析:

为精确分析经过一段时间后(已有损伤材料)材料的各项性能,所有试棒材料均采集自实际设备。

对20g在20℃、480℃进行单拉曲线和在480℃进行循环应力应变曲线(CSS曲线)进行测定,其结果如图4所示。材料的单拉特性值即机械性能见表2。由图可见,在20℃下试验材料的单拉特性曲线上有较为明显的屈服台阶(即屈服点);而在480℃时并不存在明显的屈服点,选定作为该试验材料在480℃时的屈服强度。

由于用多试样分别试验法工作量大,并且不易保证前后试验条件和各试样的材料加工偏差的一致性,因此,在本研究中循环应力—应变(CSS)曲线的获得采用单试样逐步递增法。由图4可见,该材料的CSS曲线在单拉曲线的上方,因此该材料应属于循环硬化材料。

热机械疲劳总寿命试验: 以往对碳钢、合金钢和铸铁等金属材料的高温低周疲劳研究,疲劳寿命(即断裂寿命)的定义都是按日本学术界的规定,即为循环应力范围下降到初始应力范围的75%的循环次数[3～5]。这个规定是根据大量试验得出的,即此时试样出现明显的宏观裂纹,滞后环出现明显的开闭合现象,认为试样断裂。本文亦沿用此规定。对20g材料试样在100～480℃、进行了不同应变幅、不同缺口形式(R=0.75、R=1.5、R=3)、及不同保载时间的热机械疲劳总寿命试验。试验结果如表3～表5所示。

缺口试样无保载热机械疲劳总寿命

试样缺口形式对热机械疲劳总寿命的影响试验(表3)。

缺口试样应变幅对热机械疲劳总寿命的影响试验(表4)。

缺口试样有保载热机械疲劳总寿命

温度波形与载荷波形为上保持下不保持的梯形波,保持时间短,寿命低,试验条件比较苛刻,按照金属材料高温强度理论,热机械疲劳试验条件模拟试验与焦炭塔的实际情况比较接近,所预测的剩余寿命是偏于安全的[2]。

3 试验结果分析

3.1 试样缺口形式同疲劳总寿命的关系

试样缺口形式的不同即受载区域应力分量比的不同,对疲劳总寿命有较大影响,其关系曲线如图5所示,可以看出:

相同应变幅条件下缺口半径越小,即曲率越大,其寿命越短。

随着加载应力幅的增大,无论缺口形式如何,试样的疲劳总寿命呈下降趋势;而且下降趋势不尽相同,0.75缺口形式的试样寿命曲线下降较平缓,而1.5缺口形式的试样寿命曲线较陡。

由上图可以看出,0.75缺口形式的试样寿命曲线可以用一个三次多项式近似表示: y=-5700x3+26960x2-42353x+22230(1)

1.5缺口形式的试样寿命曲线可以用一个二次多项式近似表示:

y=-600x2+1470x-628 (2)

3.2 加载应变幅同疲劳总寿命的关系

由于试样有限,应变幅同疲劳寿命关系试验主要针对缺口形式为0.75的试样。

加载应变幅同疲劳寿命关系曲线如图6所示。由图可以看出:

当加载应变幅在1.3%～1.4%之间时(缺口形式0.75),它对疲劳总寿命的影响很大,当加载应变幅大于1.4%时,加载应变幅对疲劳总寿命的影响较小,这说明当试样处于小应变(小于0.3%)时,疲劳总寿命主要由萌生寿命组成,随着应变幅的增大(在1.3～1.4之间),试样的总寿命逐渐由占主要的萌生寿命变成占主要的微观裂纹扩展寿命组成,随着加载应变幅的进一步增大,疲劳裂纹处于很快进入微观裂纹扩展阶段,当加载应变幅足够大时,裂纹处于宏观裂纹扩展阶段,且迅速失稳断裂;

该曲线可以用一个二次多项式近似表示:

y=3616.7x2-10975x+8413.3 (3)

3.3 保载时间同疲劳总寿命的关系 保载时间t同疲劳寿命关系曲线如图7所示。可以看出:随着在最大应变和最高温度处保载时间的延长,疲劳总寿命由于循环硬化的影响开始逐渐缓慢增加,但到一定程度(试验中为60秒后)总寿命突然开始降低,表明材料损伤中的蠕变部分随着时间逐渐增加,在疲劳和蠕变的交互作用下,超过循环硬化的作用,使材料组织老化程度明显加剧,致使寿命急剧下降。

该缺口试样保载时间对热机械疲劳总寿命的影响曲线可用一个三次多项式近似表示:

y=-0.0002x3-0.0175x2+1.0833x+136

(4)

4 结论

本论文主要进行了焦炭塔20g材料的热机械疲劳总寿命试验,对试验数据进行分析,为进一步找出合适的参量表征该材料的构件和设备的疲劳总寿命提供了必要的试验基础。

参考文献

[1]徐颢.疲劳强度.北京:高等教育出版社,1988.

[2] 张文孝.郭成璧.张振华,等.焦炭塔的热机械疲劳剩余寿命分析.安全分析.vol.12 no.1,1995.

[3] 平修二.金属材料的高温强度.北京:科学出版社,1983.

[4] 大谷隆一,驹井谦治郎.环境高温强度学.综合材料强度学讲座(7),东京:オーム社,1984.

[5] 崔宁.复杂应力状态下疲劳与蠕变交互作用对疲劳影响的研究[硕士学位论文].抚顺:抚顺石油学院,2000.

[6] 王建国,王连庆,唐俊武.金属材料热机械疲劳试验研究的现状.北京科技大学学报.