发动机高温构件疲劳蠕变实验指导书

《发动机高温构件疲劳/蠕变实验》

实验指导书

发动机结构强度实验室

2006年3月

发动机高温构件疲劳/蠕变实验

1 实验目的

1) 进一步巩固、应用学生在固体力学、航空发动机结构、强度方面的理论知识，了解航空发动机热端部件的疲劳试验技术和方法;

2) 通过设计、完成高温金属构件或试件的高温疲劳试验，得到相关试验数据，试验和理论相结合，发展疲劳预测模型。

3) 利用概率理论和方法处理试验得到的数据，得到发动机高温构件/试件的疲劳寿命。

2 实验内容及基本原理

2.1 金属材料高温短时基本力学性能测试

在高温下，金属的短时力学性能将发生变化。金属的短时力学性能包括：强度、延伸率、断面收缩率，弹性模量等等。

试验将对金属构件在高温下的短时基本力学性能进行测试，主要目的是对比金属在高温和常温下的力学性能。并绘制金属高温应力－应变曲线。

2.2 高温金属应力疲劳

疲劳是在交变应力作用下产生裂纹以致完全断裂的一种现象，疲劳特性通常用疲劳寿命或疲劳强度表示。一般情况下，其交变的应力水平低于材料的屈服强度或拉伸强度的95％。可用多种方式来施加应力循环，包括轴向，反复弯曲，旋转弯曲，扭转加载等等。影响疲劳试验的因素有：疲劳试件的表面状态，试验温度，应力比，试验频率等等。

在疲劳试验中常用的术语和定义如下(如图1所示)：

?max，在应力循环中具有最大代数值的应力。以拉应力为正；压应力为负。

?min，最小应力, 在应力循环中具有最小代数值的应力。以拉应力为正；压应力为负。 ?m，平均应力, 最大应力和最小应力的代数平均值。?m＝（?max+?min）/2;

?a，应力幅(交变应力)，在应力循环中最大应力与最小应力差之半。?a＝（?max-?min）/2; R, 应力比，在一个应力循环中，最小应力与最大应力的代数比值即R＝?min /?max;

?a

图1 典型疲劳载荷

1

一般利用S－N曲线来反映材料的疲劳性能。绘制S－N曲线时，以试验应力（?max, ?a等）为纵坐标，以疲劳寿命为横坐标，疲劳寿命采用对数坐标，试验应力可以采用线性坐标，也可以采用对数坐标。画图时应将同一种材料不同应力比或不同平均应力的曲线画在一张图中。如果应力比相同其他试验参数不同(如Kt不同等，Kt为应力集中系数)，则也可将曲线画在一张图中便于比较。典型的S－N曲线如图2所示。

图2 典型的S－N曲线

2.3高温金属的低周应变疲劳

物体在循环受载过程中，局部应力或应变集中区材料就会产生循环塑性应变。随着循环加载的继续，裂纹在这些关键区域的薄弱点上成核，开始出现微裂纹。随后，裂纹在塑性区中扩展，并逐步增长形成可检的宏观或工程裂纹。最后裂纹穿过塑性区继续扩张，直至断裂，如图3所示。

图3 疲劳断裂过程示意图

低循环应变疲劳就是研究这类应力或应变集中区，诸如拐角、孔边、沟槽以及各种过渡截面处材料在循环载荷作用下的应力—应变行为，并估算其裂纹起始寿命的一种方法或手段。低循环疲劳主要是研究循环塑性应变，试验时主要控制参量是应变而不是应力，所以也有人称它为应变疲劳，其失效循环数(疲劳寿命)Nf一般低于5?10。

2

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图4 S－N应力疲劳曲线 图5 ?－N 应变疲劳曲线

低循环疲劳包括的范围很广，仅受力方式来说就有轴向拉压的、弯曲的、扭转的，还有单轴、双轴和多轴的。从力的来源又可分为低循环机械疲劳和低循环热疲劳。但是目前应用最广泛的，基本的是轴向拉压低循环疲劳。按控制的试验参量，低循环疲劳可分为应力控制和应变控制两种方式。但是，若采用应力控制，当所要控制的应力水平接近或超过材料的屈服强度时，应力就要处于不稳定或流变状态。此时，要使试样的峰值应力达到所要控制的水平是比较困难的。另外，从材料常规的S?N应力疲劳曲线图4中可知，在高应力低寿命区内，应力若有少量的变化，对疲劳寿命就有很大的影响。可见，当材料进入塑性变形时，用应力来描述疲劳寿命是不准确的。但用应变来描述疲劳寿命就不存在这种现象，如图5所示。

下面对低周疲劳试验中出现的术语和概念加以介绍。 1）应力—应变滞后环

一个循环内的应力—应变关系曲线，如图6所示。在低循环疲劳试验过程中，可用X—Y记录仪绘制出任一循环周次下的滞后环，它是反映材料应力—应变行为的原始数据。通过它可以测量出每个循环的塑性应变范围

??p，弹性应变范围

??e，总应变范围??t以及最大应力?max，最小应力?min和弹性模量E

等一系列重要力学参量。

图6 应力－应变滞后环

3

2）循环应力—应变曲线

在不同总应变范围下得到的一系列稳定滞后环顶点的轨迹即为循环应力—应变曲线，如图7所示。 循环应力—应变曲线通常有两种表达形式，一种是以应力幅与总应变幅来表达，即系曲线，其数学奉达式，为：

??/2???t/2关

??t????n1'??(')22E2K （1）

图7 循环应力－应变曲线

图8 循环硬化 图9 循环软化

另一种是以应力幅和塑性应变幅来表达，即

??/2???p/2关系曲线，其数学表达式：

??2?K'(??p2)n' 式中：K'

——循环强度系数，n'——循环应变硬化指数。

4

2）

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