劉千碩

摘? 要：近年來，我國經(jīng)濟發(fā)展十分迅速，社會在不斷進步，為評價材料抵抗疲勞失效的能力，必須進行低周疲勞性能試驗。目前，國內(nèi)外都制定了金屬材料低周疲勞試驗標準。選取國內(nèi)低周疲勞試驗常用標準ASTME606—2012和GB/T15248—2008，以及參考ISO國際標準建立的GB/T26077—2010，歸納總結(jié)了這些標準之間的差異及特點。發(fā)現(xiàn)GB/T15248—2008和GB/T26077—2010在試樣要求、設(shè)備要求、試驗程序及試驗報告等方面差異不大，建議考慮合并兩項標準，形成一個統(tǒng)一的軸向應(yīng)變控制疲勞試驗標準。

關(guān)鍵詞：金屬材料;低周疲勞;應(yīng)變控制;試驗標準

引言

火電機組啟停或負荷變化引起交變熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，金屬部件在交變應(yīng)力循環(huán)作用下將產(chǎn)生疲勞損傷。金屬部件的疲勞損傷是一種累積過程，隨著運行時間的增長及機組啟停次數(shù)的增多，可能由于裂紋的萌生和擴展而導(dǎo)致部件最終失效。機組重要部件（如汽包、轉(zhuǎn)子等）失效將造成嚴重后果。因此，對于運行時間較長尤其是超過設(shè)計壽命的機組，進行金屬部件的壽命評估十分必要。材料疲勞曲線表征疲勞壽命與循環(huán)應(yīng)變或應(yīng)力之間的關(guān)系，是進行疲勞壽命評估的基本依據(jù)。材料疲勞曲線通常通過疲勞試驗確定，也可以根據(jù)材料的常規(guī)拉伸機械性能進行推算。但是由于疲勞試驗周期長，費用高，而且對于在役部件一般無法取樣進行試驗，因此，采用計算方法確定材料疲勞曲線在工程中具有重大意義。

1多軸疲勞

多軸疲勞是指多軸應(yīng)力或應(yīng)變作用下的疲勞破壞，在加載過程中有兩個或三個主應(yīng)力（或主應(yīng)變）分量獨立地隨時間發(fā)生周期性變化，根據(jù)加載時主應(yīng)力（或主應(yīng)變）方向的變化又可分為比例加載與非比例加載.相對于單軸疲勞而言，非比例加載下的多軸疲勞會使材料內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變主軸不斷旋轉(zhuǎn)，開動更多的滑移系，導(dǎo)致疲勞裂紋在不同的方向、不同的平面內(nèi)形成，一些材料在此期間會出現(xiàn)非比例循環(huán)附加強化效應(yīng)，因此多軸疲勞問題相對來說更加復(fù)雜.目前單軸與多軸疲勞理論的區(qū)別主要反映在以下幾個方面：（1）材料循環(huán)塑性模型單軸本構(gòu)關(guān)系如Ramberg-Osgood方程不能直接應(yīng)用于多軸荷載情況，為了精確預(yù)測材料在多軸非比例加載下的疲勞壽命就需要綜合考慮多軸狀態(tài)下的非比例強化、等效強化、隨動強化等現(xiàn)象.（2）損傷模型傳統(tǒng)的S-N法或ε-N法只是針對單軸或多軸比例加載情況，而多軸非比例加載時主應(yīng)力（或主應(yīng)變）軸的變化會使裂紋萌生面方向發(fā)生變化，而使傳統(tǒng)的疲勞壽命模型對此類問題失效.（3）循環(huán)計數(shù)法在隨機多軸加載下各方向的主應(yīng)力（或主應(yīng)變）峰谷值不能時時匹配，因此傳統(tǒng)的雨流計數(shù)法不再適用.

2國內(nèi)外金屬材料低周疲勞試驗標準對比

2.1試樣要求

ASTME606—2012和GB/T15248—2008標準中給出的推薦試樣都是等截面試樣和漏斗形試樣。等截面試樣通常用于約2%以內(nèi)的總應(yīng)變范圍;漏斗形試樣則用于總應(yīng)變范圍大于2%的試驗。另外還給出了可用的板材試樣設(shè)計。GB/T26077—2010中推薦了圓柱形試樣和厚度在2.5mm以下、介于2.5～5.0mm之間以及5.0mm以上的板狀試樣，并作了詳細的尺寸規(guī)定。這里對三項標準中等截面圓柱形試樣要求作比較。選取試樣標距長度時，應(yīng)注意至少大于引伸計的標距，標距長度過長極易導(dǎo)致試樣失穩(wěn)。建議采用GB/T15248規(guī)定的范圍為1d～3d的標距長度，相較于其他標準，此標準標距長度在實際試驗中適用范圍更廣，且失穩(wěn)風(fēng)險較低。為降低在試樣標距外發(fā)生失效的風(fēng)險，平行段長度不應(yīng)超出標距長度0.5d。三項標準對試樣的數(shù)量要求各不相同。GB/T26077—2010要求試樣數(shù)量至少8件，得到的疲勞應(yīng)變-壽命曲線圖在循環(huán)次數(shù)上最少應(yīng)覆蓋3個數(shù)量級。ASTME606—2012規(guī)定最少10件試樣，GB/T15248—2008則要求12～15件試樣用于測定應(yīng)力/應(yīng)變-壽命曲線，并選取幾級應(yīng)力/應(yīng)變水平，分別測定其失效循環(huán)數(shù)。試樣數(shù)量直接影響試驗置信度以及后續(xù)的可靠性設(shè)計，試樣過少易導(dǎo)致結(jié)果可靠性低;試樣數(shù)量多可以提高試驗精度，卻會增加時間和經(jīng)濟成本，實際試驗時需綜合考慮，選取合適數(shù)量。疲勞試驗中，試樣的制備過程，包括取樣、標記、機加工、表面制備、儲存及運輸?shù)葘υ囼灲Y(jié)果有很大影響。其中，機加工將導(dǎo)致試樣表面形貌變化和材料性能變化，并產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而影響試驗結(jié)果。通過選用適當?shù)木庸すに嚳梢杂行p小試樣的殘余應(yīng)力。不同表面粗糙度可視作一條條尺寸不同的初始裂紋，粗糙度越高，表面狀況越差，應(yīng)力集中程度越嚴重，將導(dǎo)致疲勞壽命下降。因此，要保證試樣粗糙度處于較低水平，標準中對粗糙度的要求都是不超過0.2μm。三項標準均對加工工藝提出了具體要求。

2.2彈塑性范圍內(nèi)循環(huán)載荷條件下的溫度響應(yīng)

在初始加載階段，試件發(fā)生彈性變形，此時應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滿足胡克定律，而且應(yīng)力應(yīng)變與溫度之間的關(guān)系可由熱彈性效應(yīng)描述，且初始階段屬于拉伸階段，因此試件表面溫度呈下降趨勢。在第一個循環(huán)載荷中，當應(yīng)力首次超過屈服強度（此時試件的屈服應(yīng)力為初始屈服應(yīng)力）后，試件進入屈服階段，發(fā)生塑性變形，直至載荷最高點。這一階段由于試件發(fā)生不可逆塑性變形而產(chǎn)生熱耗散，從而使得試件溫度開始上升。從上述分析中也可得出，屈服強度前后溫度變化走勢將發(fā)生突變，因此在實測中可將應(yīng)力-時間圖與溫度-時間圖進行疊加，溫度變化發(fā)生轉(zhuǎn)折的點即可認為是材料的屈服極限，這也為測量材料拉伸屈服應(yīng)力提供一種有效方法。

結(jié)語

綜上所述，ASTME606—2012，GB/T15248—2008和GB/T26077—2010這三項標準在試驗設(shè)備、試驗過程及試驗報告等方面的要求大體一致，而在試樣的尺寸數(shù)量、殘余應(yīng)力處理、試驗環(huán)境要求等方面存在差異，在試驗機同軸度校準、試驗溫度控制等方面思路相似而具體細節(jié)有異。總的來說，ASTME606—2012和GB/T15248—2008更為系統(tǒng)具體，款項多而詳盡，要求也較嚴格，而GB/T26077—2010則相對精煉，要求較寬松。

參考文獻

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