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２２第２４卷第３期 上海金属 ２ ０ ０ ２年５月 ＳＨＡ ＧＨＡＩ ＭＥＴＡＩＳ Ｍａｙ ２ ０ ０ ２ 金属高温轴向加载低周疲劳试验探讨 曹嘉新 徐熊 Ｊ 缚大学材料学院，２０００７２ ｔ上海航空发动机制造广 【摘要】 在国内还无金属高温轴向加栽低周疲劳试验标准的情况下，如何确保疲劳试 验结果的准确性，一直是宴验人员十分重视的问题。通过大量高温低周疲劳试验，探索了导 致疲劳数据不稳定的重要目素，结器表明，试样、夹具以及试验机连接整体的同心度是影响 高温轴向疲劳试验测试精度的重要因素。 【关键词】 轴向加栽 低周疲劳试验 同 度 ＤＩＳＣＵＳＳＩＯＮ ＯＮ ＴＨＥ Ｃ０ＮＳＴＡＮＴ ＡＭＰＬＩＴＵＤＥ Ｌ０Ｗ ＣＹＣＬＥ ＦＡＴＩＧＵＥ ０Ｆ ＭＥＴＡＬＬＩＣ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ Ｌ０ＡＤＥＤ ＡＬ０ＮＧ ＴＨＥ ＡＸＩＡＬ ＤＩＲＥＣＴ１０Ｎ ＡＴ ＥＬＥＶＡＴＥＤ ＴＥ ＥＲＡＴＵＲＥ Ｃｈａｏ Ｊｉａｘｉｎｇ Ｘｕ Ｘｉｏｎｇ （Ｓｈａｈｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｅｒｏ Ｅａｇｉｎｅ Ｆａｃｔｏｌ￣，Ｊ 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】 １ｌ ｓｈｏｕｉｄ ｂｅ ｐａｉｄ ａ【【ｅ ｎｌｉ）ｎ【０ ｅ ｔｂ…日ｃｔⅡｅ ｆ】０ｗ ｃＹｃｌｅ ｌｎｌｅ【ｅｓｔ ｗｈｅｎ【ｈｅ ｗａｓ ｎ。 ｓｔａｎｄａｒｔｈ￣ｆｏｒ ａｘｉａｌ Ｌｏａｄｌｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｒｉｌａ ａｔ ｅｌｅｖａｔｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｕｎｓｔｅ￣ｄｙ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｏｎ ｄａｌａ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｔｌｇｔｔｅ ｔｅｓｔ…ｅ ｒｅ．￣ａｒｃｈｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｈ ｇｒｅａｔ ｄｅａｌ ｏｆ】（ ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ．ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ￣ｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｉｔｔｒｉｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ…ｎ】ｂ【、ｗｉｔｈ￣ｍｐｌｅ ｆｉｘｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｓｔｅｒ ｗａｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｆｌａｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｔｏ ｔｈｅ￣ｎｅｎｅｓｓ ｏｆ ａｘｉａｌ ｈ￣ａｄＬｎｇ ｆａｔｉｇｔｌｅ ｔｅｓｔ（ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｄａ］ａｔ ｅｌｅｖａｔｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔ￣ 【Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ】 Ａｘ】 ａｄｊ ｇ，Ｌ０ｗ Ｃｙｃ］ｅ ＦａⅡｇｕｅ ｓ【ｌ Ｃｏｎｃｅｉｔｔｒｉｅｉｔｙ １ 前言 ＨＢ５２８７、ＧＢ６３９９，该标准中明确了低循环疲劳 由于冶金缺陷以及加工过程中产生的缺陷， 各项规定 目前国内还没制定金属高温轴向加载 处于高温条件一 工作的金属材料零部件，在高温 低周疲劳试验的标准。但是实际工作中，由于各 和压力的长期作用下，其物理性能、机械性能都 单位试验条件的（如试验机设备、试样数 将发生变化．并往往会导致零件的失效，为了确 量、以及试验员等），试验方法不可能完全一致。 保发动机的安全运行，因此需将各种高温长期强 如何确保疲劳实验结果的准确性，试验方法的可 度，如蠕变、持久、疲劳等性能数据作为设计的 行性，试验周期的经济性，一直是各试验人员最 主要依据。 为重视的，疲劳寿命的分散度很大、影响疲劳寿 金属高温轴向加载疲劳试验 ，可分高、低 命的因素也很多 材料的微观和宏观的不均匀性 周期疲劳．一般１０ 次以上循环作为高周疲劳： 会使疲劳试验数据产生很大的分散－性 。上海航 低于ｌＯ 次循环的为低周疲劳。试验机设备也分 空发动机制造厂开展的高温低周疲劳试验，反映 为高频疲劳试验机和低频疲劳试验机（电液伺服 了疲劳试样、夹具是导致疲劳数据不稳定的重要 疲劳试验机 。自８（］年代起我国在疲劳试验方面 因素。本文就这方面的问题作具体阐述，井着重 开展了大量工作，航空部和国家标准局先后颁发 讨论试样的同心度对试验数据离散性的影响。 了《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》 ２试验方法与准备 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３瑚 曹嘉新等：金属高温轴向加载低周疲劳试验探讨 ２３ ２．１试样准备 好坏直接影响试验的成功 高温低周疲劳的试样 试样是疲劳试验的最重要环节，试样质量的 是带螺纹的光滑试样，试样形状尺寸见图１。 图１试样形状与凡寸 制取试样必须注意如下事项 才能保持获得 率不得太于５％，偏心率计算方法 合格的试样。 （１）试样工作部分与螺纹部位必须保持一定 偏心率＝ ｌ０ｏ％ 凸Ｌ 的同心度。 式中 △ＬＬ试样两相对面上弹性变形较大的 （２）疲劳试样的制备必须经毛坯切取、机械 值； 加工、热处理、尺寸测量和表面检查等环节： △Ｌ试样两相对面上弹性变形较小的 （３）切取毛坯时 对盘坯锻件要求在同一中 值； 心圆上旋向切取，考虑到切割的熟影响，规定毛 △Ｌ试样两相肘面上弹性变形的平均 坯尺寸３０ｒａｍ×９０ｒａｍ，切割时留有足够的加工余 值，即△Ｌ＝（△Ｌ．＋△Ｌ。）／２ 量，切割后在毛坯的顶部编号： 经测定试验机偏心率小于４％。 （４）机械加工分粗车、精车、磨、抛光，要 ２．３试验机 求车削的车刀要锐利、高速。特别要保证试样的 试验机是德国ＳＣＨＥＣＫ ＰＣ６３Ｍ型电液伺服疲 同心度。 劳试验机，最大静载荷±４０ｋＮ，最大动载荷± （５）当材料有热处理要求的，必须先毛坯热 ３２ｋＮ，工作油缸的行程±２０ｔｕｒｎ．频率０ １～ 处理，然后再精加工试样，热处理之后对每一试 ４０Ｈｚ、波形为方渡、正弦波、三角波，控制力、 样都要测定硬度。 位移、应变值，力值精度＜±０．Ｉ％，高温炉是 （６）詹抛光之后尺寸台格的试样还必须进行 对开式电加热炉，高温炉分上、中、下三段控 荧光探伤检查，以防材料缺陷的存在，最后试样 温，温度范围在２００—９５０℃，炉膛内径为 装袋。 ＋８０ｒａｍ，炉膛均热区２００ｒａｍ。 ２ ２夹具 试验机计量由北京中国长城计量测试技术研 疲劳试验中试样与夹具及试验机的连接必须 究所（３１）４所）进行周期鉴定。 坚固．夹具应具有良好的同心度。上海航空发动 ２．４试验方法 机制造厂夹具采用高温拉杆（ＳＣＨＥＣＫ试验机的 金属高温轴向加载疲劳试验系测定试样在受 附件）以防止试验过零载荷时试样与拉杆的固 高温、轴向拉一压（拉一拉）应力作用下的循环 紧，效果良好。 次数，一般失效循环数在１０ ～５×１０ 之问 通 众所周知疲劳试验由于试验机、夹具、试样 过试验作出ｓ Ｎ曲线。 的不同心，使得试验过程试样产生弯曲应力导致 本试验进行的是ＧＨＩ６９（涡轮盘）高温轴向 试验数据分散。所以检查试验机、夹具、试样整 加载疲劳试验，采用的材料为ＧＨ１６９（锻件）， 体的偏心率极为重要。我们对偏心率的捡查采用 曾经９６０℃保温１ｈ水冷，７２０℃保温８ｈ炉冷至 了应变仪法，即在室温条件下试样安装在试验机 ６２０℃，８ｈ空冷的热处理。分２组ｄＰ５ｍｍ光滑试 上用ＤＤ．型应变仪测定整体偏心率，整体偏心 样（旋向取样），一组同心度０ ０１ｍ／／ｌ，另～姐同 维普资讯 http://www.cqvip.com
上海金属 心度０ ０３ｔｕｒｎ。 ３试验结果与分析 试验要求Ｎ＝１０ ～５×１０ ，分４个应力点进 不同同心度的两组试样高温轴向加载低周疲 行试验，试验加载方式为轴向加载，Ｒ＝一１、 劳试验的结果见表１。 正弦波．试验频率０．５Ｈｚ，试验温度６５０＇：＇Ｃ＝ 表１ 两组试样高温轴向加载低周疲劳试验结果 谜样号 Ｎｏ【（同 ｔＬ，岌０ ０】ｍｍ】 Ｎｏ ２（１司心鹰０ ０３ｒａｍ） 最大应力 疲劳循环次数 疲劳循环救数 ＭＰａ ｌ ｌｇＮ Ｓ１ ｌ ｌ ～ ５】８２０ ５∞ ５ｏ４】Ｏ ０ ｏｏ９３ Ｊ０７０∞ ７５０３０ ４ ８７５ ６０５３０ ４ ７８ ３５４５０ ４ ５４９ ９４０ ２ ９７ Ｊ６０【０ ４ ０７ ０ ９】９６ ２３８穹ｏ ４”８ ３ ４ ３ ６６ ７０。 ２３９ｏ ３ ３２７ ２ ９（ｎ ０ ４９３４ 【５３０ ２ ２７６ ６６０ ３ Ｊ９６ Ｊ４３Ｏ ３ Ｊ５ ２ ８６３ Ｏ ０６９７ ４３０ 表１中列出了各种应力条件下疲劳循环次数 临界值为ｌ９．００，而表１中各应力水平下的Ｆ统 Ｎ及其对数ｌｇＮ的均值ｌｇＮ以及标准方差Ｓ． 和 计量都大于１９．００，因此两种同心度条件下测得 Ｓ ，也列出了各组的Ｆ统计量 。计算公式如 的试验结果的离散性有显著不同，同心度越小， 下： 试验数据分散性也越小，误差也将减小。见图 ｓ２＝ 警（１ｇＮ一 ） ２。 同样的材料，同样的试验温度，同样的负 Ｆ＝Ｓ２￣／Ｓ 荷，同心度不同的试样其低周疲劳寿命也不同。 由于显著性水平。为ｌ０％时的单侧Ｆ统计量 同心度０，０ｌ／／１Ｉ／１的一组低周疲劳数据比同心度 ０．０３ｒａｍ的一组要集中。同心度与试样受力状态 有关。由于试样不同心引起拉压过程中出现侧向 切应力（见图３）。试样在拉伸应力作用下切应 力越大试样越容易产生疲劳源，导致试样低周疲 劳寿命缩短。另一方面试样在压缩应力作用下切 应力阻碍了疲劳裂纹的扩展，导致试样的低周疲 劳寿命增加。所以加工低周疲劳试样一定要保证 一定的同心度，才能使高温低周疲劳数据比较集 Ｓｆ Ｎ 中 图２ 高温轴向加载低周疲劳试验ｓ—Ｎ曲线 ・同 度０ ０ｔｒａｍ试样ｘ同 度０ ０３ｍｔｎ试样 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３期 拉伸 ￡【 曹嘉新等：金属高温轴向加载低周疲劳试验探讨 ２５ 验的测试精度，本试验中试祥同心度为０ Ｏ１ｎｌｌｎ ｊ 的测试数据离散度明显低于同心度为０．０３ｒａｍ试 样的数据离散度。这表明要保证金属高温轴向疲 劳试验的准确性，试样的同心度不能大于 ０．０２ｒａｍ是必要的。 ．０ ｛ （２）同样道理，试样夹具（拉杆）与试样、 ｒ【切腕力 试验机连接之后整体要保证同心十分重要，偏心 度应不大于５％： ｛。 压缩 参考文献 【】 金属高温强度皿试验，Ｌ海：上海科学技术出版社．Ｌ９８６ ６ ［２］金属机械性能（修订丰）北京：机械工业出版杜Ｌ９８２ 图３疲劳试样受力状况 ３］中国科学院数学研究所统计组科学出版社】９７９ ３ 常用数学统计方挂北京： ４结论 收稿日期：２００１一ｌ２—１９ （１）试样的同心度影响金属高温轴向疲劳试 七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七七 ｒ ～ 一’ ：信息报导 ｔ ＿．～，．． ．｜．．１， 日本钢管公司开发高炉渣的新用途 日本钢管公司开发了世界首创的高炉渣应用 料，以掩埋海床的胶质泥沙，保护环境。日本由 于建设项目减少，高炉渣需求下降，不过，每年 生成１７００万ｔ高炉渣中的７０％以上已用作水泥 原料被回收利用，其中日本钢管公司每年生成 新技术，将细粒化的高炉渣覆盖在海边海床上以 隔绝海边富集的胶质泥沙。该公司最近已将炉渣 运往国土和运输部以掩埋海床。日本钢管公司已 有５４０００ｔ高炉渣被逐渐运往海边，覆盖在日本 沿海的海岸上。目前已有４００００ 的海岸被充 填，厚度达１５ｒａｍ以上。 ３４０万ｔ粒化高炉渣。为了应付高炉渣需求不足 的困境，日本钢管公司进行了广泛的调查研究． 开发了多种钢铁冶炼副产品炉渣的使用办法： 该项技术可以减少近海中正磷酸盐和氮氧化 合物的生成，保护海岸附近的居住环境。细粒化 的高炉渣铺设在海床上，可以覆盖胶质泥沙或淤 泥，使海床保持弱碱性（ＰＨ值为８ ５），防止硫 化氢的产生。更为重要的是，由于高炉渣含有硅 酸盐，是水中植物生长必不可少的养分，可促进 海水中硅藻的繁殖，防止赤潮的发生。 根据日本钢管公司提供的消息，日本国内掩 埋海床的炉渣年用量估计为１５０万ｔ，而需要掩 埋的海床总面积预计达１０００ｋ 。目前，该公司 准备提议在全日本采用这项技术，改善海湾水域 的环境（此处已有胶质泥沙堆积），恢复已经流 失天然海抄的海滨。 徐目群 摘自《Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌｍａｋｅｒ｝２００１， （１１） 人们一直在寻求可以取代天然海沙的新型材
