國內外金屬材料低周疲勞試驗標準對比

劉千碩

摘? 要：近年來，我國經濟發(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，國內外都制定了金屬材料低周疲勞試驗標準。選取國內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，歸納總結了這些標準之間的差異及特點。發(fā)現GB/T15248—2008和GB/T26077—2010在試樣要求、設備要求、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)一的軸向應變控制疲勞試驗標準。

關鍵詞：金屬材料;低周疲勞;應變控制;試驗標準

引言

火電機組啟停或負荷變化引起交變熱應力和機械應力，金屬部件在交變應力循環(huán)作用下將產生疲勞損傷。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的增多，可能由于裂紋的萌生和擴展而導致部件最終失效。機組重要部件（如汽包、轉子等）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)應變或應力之間的關系，是進行疲勞壽命評估的基本依據。材料疲勞曲線通常通過疲勞試驗確定，也可以根據材料的常規(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力或應變作用下的疲勞破壞，在加載過程中有兩個或三個主應力（或主應變）分量獨立地隨時間發(fā)生周期性變化，根據加載時主應力（或主應變）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部的應力和應變主軸不斷旋轉，開動更多的滑移系，導致疲勞裂紋在不同的方向、不同的平面內形成，一些材料在此期間會出現非比例循環(huán)附加強化效應，因此多軸疲勞問題相對來說更加復雜.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)塑性模型單軸本構關系如Ramberg-Osgood方程不能直接應用于多軸荷載情況，為了精確預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力（或主應變）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)計數法在隨機多軸加載下各方向的主應力（或主應變）峰谷值不能時時匹配，因此傳統(tǒng)的雨流計數法不再適用.

2國內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%以內的總應變范圍;漏斗形試樣則用于總應變范圍大于2%的試驗。另外還給出了可用的板材試樣設計。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，應注意至少大于引伸計的標距，標距長度過長極易導致試樣失穩(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)風險較低。為降低在試樣標距外發(fā)生失效的風險，平行段長度不應超出標距長度0.5d。三項標準對試樣的數量要求各不相同。GB/T26077—2010要求試樣數量至少8件，得到的疲勞應變-壽命曲線圖在循環(huán)次數上最少應覆蓋3個數量級。ASTME606—2012規(guī)定最少10件試樣，GB/T15248—2008則要求12～15件試樣用于測定應力/應變-壽命曲線，并選取幾級應力/應變水平，分別測定其失效循環(huán)數。試樣數量直接影響試驗置信度以及后續(xù)的可靠性設計，試樣過少易導致結果可靠性低;試樣數量多可以提高試驗精度，卻會增加時間和經濟成本，實際試驗時需綜合考慮，選取合適數量。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、儲存及運輸等對試驗結果有很大影響。其中，機加工將導致試樣表面形貌變化和材料性能變化，并產生殘余應力，從而影響試驗結果。通過選用適當的精加工工藝可以有效減小試樣的殘余應力。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，應力集中程度越嚴重，將導致疲勞壽命下降。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彈塑性范圍內循環(huán)載荷條件下的溫度響應

在初始加載階段，試件發(fā)生彈性變形，此時應力-應變關系滿足胡克定律，而且應力應變與溫度之間的關系可由熱彈性效應描述，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，當應力首次超過屈服強度（此時試件的屈服應力為初始屈服應力）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力-時間圖與溫度-時間圖進行疊加，溫度變化發(fā)生轉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力提供一種有效方法。

結語

綜上所述，ASTME606—2012，GB/T15248—2008和GB/T26077—2010這三項標準在試驗設備、試驗過程及試驗報告等方面的要求大體一致，而在試樣的尺寸數量、殘余應力處理、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?？偟膩碚f，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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[2]? 王海清.低周疲勞領域中應力控制與應變控制的關系[J].航空材料，1983（4）：17-21.