龍飛飛，王建锃，宋 陽(yáng)，戴 光，趙俊茹

（東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318）

大型往復(fù)式壓縮機(jī)是過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備之一，其運(yùn)行可靠性和安全性直接影響著過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)；曲軸是往復(fù)式壓縮機(jī)中最重要的部件之一，也是受力最復(fù)雜的部件，它的可靠性直接影響著壓縮機(jī)的安全運(yùn)行和使用壽命［1－3］。壓縮機(jī)曲軸大多由鑄鐵（如球墨鑄鐵）、鑄鋼（如鉻鋼）等經(jīng)熱處理工藝后制造［4］。曲軸在工作時(shí)受力比較復(fù)雜，承受氣缸內(nèi)的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力的綜合作用；其承受的載荷一般不是很高，但由于長(zhǎng)期處在一定的交變周期載荷作用下，易引發(fā)疲勞破壞。疲勞是指在承受屈服強(qiáng)度以下的交變應(yīng)力且經(jīng)過(guò)足夠多次循環(huán)的作用之后，材料中局部發(fā)生永久性變化的發(fā)展過(guò)程。由于交變載荷的作用，構(gòu)件一開(kāi)始就進(jìn)入疲勞的發(fā)展過(guò)程，裂紋的萌生和發(fā)展是這一發(fā)展過(guò)程中不斷形成的損傷累積的結(jié)果，最后的斷裂標(biāo)志著疲勞過(guò)程的結(jié)束［5］。磁記憶檢測(cè)技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)行業(yè)的一門新興的檢測(cè)方法，可有效對(duì)金屬構(gòu)件的疲勞失效進(jìn)行早期診斷。筆者對(duì)壓縮機(jī)曲軸常用材料球墨鑄鐵進(jìn)行了拉伸與疲勞試驗(yàn)，并采用磁記憶檢測(cè)技術(shù)對(duì)疲勞失效進(jìn)行了分析。

1 拉伸試驗(yàn)磁記憶信號(hào)表征及分析

1.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試件尺寸如圖1所示，試驗(yàn)用球墨鑄鐵的屈服強(qiáng)度一般為370MPa 左右，抗拉強(qiáng)度為600MPa左右。設(shè)定加載的起始拉力為6kN，加載速度為20N／s；保載檢測(cè)，采用磁記憶檢測(cè)儀器的2型傳感器沿試件的粗黑色路徑從左向右推動(dòng)。

圖1 拉伸試件尺寸

1.2 拉伸過(guò)程磁記憶表征規(guī)律

法向磁場(chǎng)分量Hyp隨載荷值的變化如圖2 所示，從圖中可以得到：在未加載的情況下，試件的信號(hào)曲線峰－峰值較大［6］，這表明試件中存在一定的殘余應(yīng)力；在試件由0加載到6kN 后，磁記憶信號(hào)曲線趨勢(shì)變緩，這是由于從0載荷開(kāi)始，試件材料位錯(cuò)移動(dòng)致使應(yīng)力分布發(fā)生改變，進(jìn)而所檢測(cè)到的磁記憶信號(hào)發(fā)生改變；在6～28kN 處，試件的法向磁場(chǎng)分量Hyp值有明顯的下降，這是由于材料在28kN左右產(chǎn)生屈服后，出現(xiàn)了永久塑性形變，此形變使得構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力釋放，磁記憶信號(hào)整體趨勢(shì)更為平緩；在屈服之后到達(dá)斷裂階段，磁記憶信號(hào)曲線形狀具備相似性，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，試件斷裂點(diǎn)位于檢測(cè)起點(diǎn)38mm 處，正好在磁記憶信號(hào)幅值突變處。通過(guò)圖3可清晰地看到斷裂點(diǎn)處的斜率K值的變化，其隨載荷的加大而逐漸變小且變化幅度減小，表明此時(shí)的應(yīng)力集中程度較小，則可判斷試件即將斷裂。

圖2 法向磁場(chǎng)分量－載荷曲線

圖3 斷裂點(diǎn)拉伸載荷－K 值曲線

分析結(jié)果表明：上述試驗(yàn)測(cè)得此球墨鑄鐵材料的抗拉強(qiáng)度為713.5 MPa，磁記憶曲線的表征情況能有效地反映球墨鑄鐵材料的拉伸過(guò)程的力學(xué)狀態(tài)，并通過(guò)曲線的最大峰－峰值處和曲線的突變處可估計(jì)試件的斷裂部位。

2 疲勞試驗(yàn)磁記憶信號(hào)表征及分析

2.1 疲勞試驗(yàn)

球墨鑄鐵疲勞試件的尺寸如圖4所示，對(duì)其進(jìn)行拉－拉疲勞試驗(yàn)，根據(jù)拉伸試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度確定疲勞載荷（一般在抗拉強(qiáng)度的0.5到1倍間選取）。擬定疲勞加載的力為68.9kN，所以設(shè)置靜載70kN，動(dòng)載荷為20kN。應(yīng)力比（疲勞載荷的最小拉力與最大拉力的比值）為5／9。測(cè)量時(shí)，5×104次前每一萬(wàn)次測(cè)量一次，之后每十萬(wàn)次測(cè)量一次。圖中粗黑色線條為檢測(cè)路徑。

圖4 疲勞試件尺寸圖

2.2 疲勞過(guò)程磁記憶信號(hào)表征

鐵磁性試件經(jīng)機(jī)械加工（線切割、打磨）后一般會(huì)存在較大的殘余應(yīng)力。圖5（a）呈現(xiàn)的是試件成型后在一定殘余應(yīng)力下的，由磁致伸縮機(jī)械效應(yīng)形成的金屬磁記憶信號(hào)圖（未加載）。圖5（b）（圖中數(shù)字表示循環(huán)次，下同）為疲勞初期（前50×103次循環(huán)）的磁記憶信號(hào)圖，不難看出疲勞初期，由于加載殘余應(yīng)力增大，材料的內(nèi)部組織出現(xiàn)微觀的滑移、位錯(cuò)從而導(dǎo)致法向磁場(chǎng)強(qiáng)度分量值呈下降趨勢(shì)并向零點(diǎn)靠近（縱向觀察），并且曲線的趨勢(shì)變得較為平緩，循環(huán)（10～20）×103次為疲勞加載的最初始階段，曲線的法向磁場(chǎng)分量值變化不大，而在隨后（30～50）×103次的加載過(guò)程中，法向分量值出現(xiàn)了較大變化，但與20×103前的曲線趨勢(shì)保持一致。圖5（c）為試件在（100～600）×103次循環(huán)的疲勞階段的磁記憶信號(hào)曲線。在疲勞中期，即（100～200）×103次循環(huán)時(shí)，隨著殘余應(yīng)力的繼續(xù)加大，曲線的幅值繼續(xù)下降（縱向觀察），并且就單條曲線（橫向觀察）來(lái)看，其斜率變大即K值增大，曲線趨勢(shì)為線性升高。在疲勞的后期階段（循環(huán)次數(shù)300×103左右），由于循環(huán)次數(shù)的加大，能量積累到一定程度致使材料內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)變現(xiàn)象，磁記憶曲線的幅值繼續(xù)下降并且曲線形態(tài)發(fā)生了突變（縱向觀察），而各單條曲線（橫向觀察）呈先線性升高后保持平衡不增長(zhǎng)再到線性增大的過(guò)程。在疲勞末期循環(huán)次數(shù)（400～600）×103，曲線縱向上的幅值略微下降且趨勢(shì)基本保持不變并趨于穩(wěn)定狀態(tài)；在循環(huán)次數(shù)為600×103時(shí)，材料的疲勞累積損傷促使了微觀裂紋的萌生，使得應(yīng)力得到一定范圍內(nèi)的釋放，曲線出現(xiàn)稍有回升跡象。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的斷裂位置，在磁記憶曲線后期和末期的平衡過(guò)程之后到再線性增長(zhǎng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處即58mm 處左右，表明破壞位置一定程度上導(dǎo)致了磁記憶曲線的突變。通過(guò)圖6可以清晰看到斷裂點(diǎn)處K值的變化，隨著循環(huán)次數(shù)的加大，K值的波動(dòng)性減小并趨于平緩，表明此時(shí)的應(yīng)力集中程度很小，可判斷試件即將斷裂。

圖5 試件在不同疲勞階段的磁記憶信號(hào)曲線

圖6 斷裂點(diǎn)循環(huán)次數(shù)－K 值曲線

3 疲勞試驗(yàn)的有限元分析與試驗(yàn)對(duì)比

分析結(jié)果表明：試件產(chǎn)生疲勞裂紋的位置、循環(huán)次數(shù)（68萬(wàn)次）與實(shí)際斷裂位置、循環(huán)次數(shù)相接近（圖7），說(shuō)明試驗(yàn)疲勞斷裂位置與模擬疲勞斷裂部位一致，也充分說(shuō)明模擬結(jié)果的可行性及試驗(yàn)的正確性。由此，磁記憶曲線的變化有效地反應(yīng)了疲勞循環(huán)各個(gè)階段的損傷情況，通過(guò)磁記憶信號(hào)的表征能夠較準(zhǔn)確地估計(jì)疲勞失效狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）磁記憶信號(hào)曲線的表征情況可以有效地反映拉伸過(guò)程中的力學(xué)損傷狀態(tài)，通過(guò)磁記憶曲線的最大峰－峰值處和突變處可以判定出材料的斷裂處。

圖7 試驗(yàn)與模擬的疲勞斷裂位置對(duì)比

（2）通過(guò)磁記憶檢測(cè)的特性參數(shù)K值變化，可以判斷試件即將斷裂時(shí)，斷裂處K值較小且波動(dòng)平穩(wěn)，即應(yīng)力集中程度較小。

（3）磁記憶信號(hào)曲線的表征情況有效地反映了疲勞過(guò)程中各個(gè)階段的損傷情況，通過(guò)試驗(yàn)及模擬疲勞壽命的對(duì)比，驗(yàn)證了磁記憶手段判定疲勞失效的可靠性。

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