石紅梅，侯 偉

（1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院，陜西咸陽712000；2.咸陽市特種設(shè)備檢驗所，陜西咸陽712000）

復(fù)合高周疲勞，實際上研究的是熱機(jī)疲勞載荷（TMF）或低周疲勞載荷（LCF）與附加高頻振動應(yīng)力載荷的共同作用。起初，人們認(rèn)為造成許多高溫部件壽命損傷的主要原因是其承受的高頻振動載荷的作用[1]；隨著科技進(jìn)步及研究方法的更新，研究學(xué)者們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)高溫部件在服役期間還承受著一種循環(huán)應(yīng)力大且很難控制的載荷，并將其定義為低周疲勞載荷，這種載荷對高溫部件壽命的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高頻振動應(yīng)力的影響，因此，低周疲勞載荷對高溫部件的影響成為了幾十年來蠕變疲勞領(lǐng)域的重點研究問題。然而，隨著國家能源行業(yè)的發(fā)展，發(fā)電廠常常面臨著調(diào)峰問題，使得汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等高溫部件壽命大大降低，同時，航空發(fā)動機(jī)上的高溫部件也出現(xiàn)了很多提前失效的情況。為此，人們意識到只研究單一的高周或低周疲勞載荷對高溫部件壽命的影響，不能解決現(xiàn)實問題。因為高溫部件大多長期處于高（超高）溫度的工作環(huán)境，高頻振動應(yīng)力與低周疲勞載荷疊加在一起，對高溫部件壽命的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于任何一種單一載荷對其的影響[2]。因此，本文將主要綜述復(fù)合高周疲勞載荷對高溫部件壽命的影響，旨在為高溫部件的壽命預(yù)測和安全監(jiān)測提供一定參考價值。

1 高周疲勞載荷對材料疲勞壽命的影響

目前，附加高周疲勞載荷對材料疲勞壽命影響的研究主要集中于兩方面，即高低周復(fù)合蠕變疲勞和復(fù)合高周振動的熱交變?nèi)渥兤?。附加高周疲勞載荷對材料TMF疲勞壽命影響的研究主要集中在汽車發(fā)動機(jī)氣缸蓋和機(jī)體、燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動機(jī)燃燒室等高溫部件[3-5]，通過實驗分析得到如下結(jié)論：疊加的高周疲勞載荷對材料疲勞壽命的影響存在一個門檻值（TMF 失效時的應(yīng)變幅）。當(dāng)疊加的高周應(yīng)變幅低于此門檻值時，對疲勞壽命沒有明顯的影響；當(dāng)疊加的高周應(yīng)變幅高于此門檻值時，疲勞壽命隨高周應(yīng)變幅的增大而減小。關(guān)于高周疲勞載荷對材料低周疲勞壽命的影響，國內(nèi)外學(xué)者做了很多LCF及LCF+HCF方面的試驗研究，大多集中在內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)葉片和風(fēng)扇葉片、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等高溫部件上[6-11]，通過實驗結(jié)果分析可知，附加的高周疲勞載荷會增加材料的裂紋擴(kuò)展速率，加快材料的失效速度，進(jìn)而降低材料的低周疲勞壽命。

如圖1 所示為常用來制造高溫部件的5 種材料在復(fù)合高周疲勞實驗下的結(jié)果，盡管實驗材料不同，實驗條件也不盡相同，但都可看出附加的高周振動載荷會進(jìn)一步降低材料的疲勞壽命，可見高周振動載荷對材料壽命的影響是不容忽視的。

圖1 高周疲勞載荷對材料復(fù)合疲勞壽命的影響

2 高溫部件復(fù)合高周疲勞壽命的影響因素

從大量實驗結(jié)果來看，影響材料復(fù)合高周疲勞壽命的因素很復(fù)雜，而加載條件的影響是最重要的，如高周疲勞和低周疲勞載荷應(yīng)變幅、高周振動載荷的頻率、TMF載荷的保持時間及溫度等。除此之外，還有材料因素、實驗環(huán)境等，本文主要探討各加載條件因素對材料復(fù)合疲勞壽命的影響。

2.1 應(yīng)變幅

圖2所示為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子10%Cr鋼材料在純低周疲勞和復(fù)合疲勞載荷下的壽命曲線。實心正方形代表的是實驗溫度600 ℃下，給試樣加載不同低周應(yīng)變幅時的疲勞壽命，從圖中可見，只改變應(yīng)變幅，其余實驗條件相同時，材料的低周疲勞壽命會隨應(yīng)變幅的增大而減小。實心圓形為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼在600 ℃下進(jìn)行高低周復(fù)合疲勞實驗后的應(yīng)變幅-循環(huán)周期曲線圖[2]，試驗中保持低周疲勞載荷的應(yīng)變幅一定，對試樣加載不同高周應(yīng)變幅，可見材料的復(fù)合疲勞壽命會隨著高周疲勞載荷應(yīng)變幅的增大而減小，且都小于相應(yīng)的低周疲勞壽命。以上分析可看出復(fù)合疲勞實驗中，低周疲勞載荷和高周疲勞載荷應(yīng)變幅都會影響材料的復(fù)合疲勞壽命。然而，到底誰占主導(dǎo)地位，還需進(jìn)一步研究兩者的交互作用。

圖2 10%Cr鋼應(yīng)變幅-循環(huán)周期曲線

2.2 溫 度

無附加高周疲勞載荷時，溫度是影響材料疲勞壽命的主要影響因素之一，溫度越高，材料的蠕變疲勞壽命越短，材料更容易失效。而且，一般當(dāng)實驗溫度超過300 ℃時，材料內(nèi)部會發(fā)生蠕變現(xiàn)象，其疲勞損傷會更嚴(yán)重，也會加劇疲勞失效。在有附加高周疲勞載荷的復(fù)合疲勞實驗中，當(dāng)疊加高周應(yīng)變幅值一定時，溫度越高，材料的復(fù)合疲勞壽命越低。如圖3 所示，鈷基合金材料在熱交變載荷基礎(chǔ)上疊加應(yīng)變幅一定的高周疲勞載荷，交變溫度的最高值（Tmax）從750 ℃升高到1 200 ℃時，其復(fù)合疲勞壽命也逐漸降低。用不同的鑄造鋁合金進(jìn)行相同實驗，也會得到相似的結(jié)論。由此可見，在復(fù)合疲勞實驗中，溫度依然是影響其壽命的主要因素之一，特別是在有熱交變載荷的情況下。

圖3 CoCr22Ni22W14在不同溫度下的復(fù)合疲勞壽命

2.3 保持時間

保持時間指的是在有熱交變載荷的實驗工況下，最高溫度（Tmax）所保持的時間。在只有熱交變載荷的實驗工況下，保持時間是影響材料疲勞壽命的重要因素，所以在熱交變載荷并疊加有高周疲勞載荷的復(fù)合疲勞實驗中，保持時間對材料復(fù)合疲勞壽命的影響是不容忽視的。圖4 為鑄造鋁合金AlSi6Cu4和AlSi10Mg 在不同的實驗溫度和保持時間下的復(fù)合疲勞壽命，從圖4 中可見，當(dāng)熱交變的最高溫度相同，其他實驗條件均相同時，最高溫度的保持時間由0 s增加到180 s，其疲勞壽命大大降低。諸多研究表明，高溫時的保持時間會加強(qiáng)材料內(nèi)部晶界處的蠕變損傷，進(jìn)而增加疲勞裂紋擴(kuò)展速率，加速了材料的疲勞失效[12]。

圖4 AlSi6Cu4和AlSi10Mg在不同保持時間時的復(fù)合疲勞壽命

2.4 頻 率

附加在低周疲勞和熱交變載荷上的高周疲勞載荷是隨著時間波動的，故其頻率的高低對材料的疲勞壽命也是有一定影響的。圖5 所示為兩種合金材料的復(fù)合疲勞壽命[3-4]，實驗中保持高周應(yīng)變幅與熱交變載荷的最高溫度和保持時間相同，只改變高周應(yīng)變幅和頻率，當(dāng)頻率由6.25 Hz 增加到18.75 Hz 時，兩種材料的復(fù)合疲勞壽命都有一定程度的縮減，可見高周疲勞載荷的頻率越高，材料的復(fù)合疲勞壽命會逐漸縮短。在無附加高周疲勞載荷時，加載頻率越低，材料的疲勞壽命則越短，這是因為高溫下材料內(nèi)部產(chǎn)生了蠕變損傷，頻率降低會增加裂紋尖端有害物質(zhì)的產(chǎn)生和擴(kuò)散，從而增加裂紋擴(kuò)展速率，降低疲勞壽命。然而，高周疲勞載荷的振動頻率增加，會使試件或高溫部件產(chǎn)生強(qiáng)烈振動，振動幅度越大，試件越容易失效。所以，在高溫部件的使用時，應(yīng)盡可能保證其振動幅度越小越好，才能保證足夠的使用壽命。

圖5 AlSi7Mg和AlSi5Cu3在不同頻率時的復(fù)合疲勞壽命

由以上論述可知，材料復(fù)合疲勞壽命的影響因素多而復(fù)雜。因為，加在試件或某一高溫部件的載荷不僅有常見的低周疲勞載荷或熱交變載荷，還有附加的高周振動載荷。上述眾多因素中，載荷的應(yīng)變幅和溫度是最主要的影響因素，而熱交變載荷的保持時間和高周疲勞載荷的振動頻率也是重要影響因素，他們對材料疲勞壽命的影響還需進(jìn)一步深入研究，以保證各材料的使用壽命。

3 結(jié) 語

隨著各高溫部件的運行工況越來越苛刻，高周疲勞載荷對各高溫材料壽命的影響也越來越突出。本文從材料所承受的復(fù)合高周疲勞載荷出發(fā)，一方面綜述了高周疲勞載荷對材料壽命的影響，另一方面分析了材料復(fù)合高周疲勞壽命的影響因素。高周疲勞載荷的附加會進(jìn)一步降低材料的疲勞壽命，而材料復(fù)合疲勞壽命的影響因素非常復(fù)雜，其中各疲勞載荷的應(yīng)變幅和溫度是主要因素，其他因素也在一定程度上影響著材料的復(fù)合疲勞壽命，而各因素對材料的作用機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究。