金属材料热机械疲劳试验研究的现状

0I:10.13374/j.1ssn1001053x.1997.01.001 第19卷第1期 北京科技大学学报 Vol.19 No.1 1997年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1997 金属材料热机械疲劳试验研究的现状 王建国 王连庆 唐俊武 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要详细论述了金属材料的热机械疲劳试验与研究现状，分析了金属材料的热机械疲劳特性， 讨论了热机械疲劳试验方法，并提出了目前热机械疲劳试验与研究中存在的问题，以及热机械疲 劳研究领域的研究方向， 关键词热机械疲劳，疲劳寿命，疲劳性能 中图分类号TG111.8 早在1973年著名疲劳专家A.K.Miller就提出热机械疲劳试验对透平机的寿命预测是一 种最基本的手段，通过模拟温度和应变的循环（相位不一定为同相位），可以演示在温度循环 下材料的塑性性能、屈服特性、应力松弛和包氏效应等现象，并提出材料在热机械疲劳下的应 力一应变滞后回线，可以用拉伸和蠕变试验数据为基本参数建立数学模型对其计算.1975 年日本京都大学Shuji Taira教授总结了金属材料热机械疲劳试验标准方法.但上述研究都仅 限于简单应力下的热机械疲劳.1984年6月美国宇航局开始致力于高温合金材料多轴应力状 态下的热机械疲劳行为研究 80年代后期，由于试验设备与技术的发展，使得热机械疲劳试验研究工作在国际上得以 普遍展开.1995年5月在芬兰首次召开了国际热机械疲劳学术会议，就热机械疲劳试验方法、 力学行为和寿命预测等问题进行了讨论.然而，在试验技术方面，由于热机械疲劳试验难度较 大，又因设备的差异，很难实现各国试验方法的统一.目前，在国际化标准组织SO中虽然设 置1个小组专门进行有关热机械疲劳试验方法的研究工作，但至今还未看到热机械疲劳试验 方法的有关标准， 我国对热机械疲劳的研究起步较晚，从事这项研究工作的学者也不多.1985年冶金部钢 铁研究总院和北京科技大学先后从美国MTS公司引进了先进的热机械疲劳试验系统，为了 实现试验方法的统一和试验数据的可比性，1989年由冶金部钢铁研究总院、北京航空材料研 究所和北京科技大学组成编制组，制定金属材料轴向热机械疲劳试验方法国家标准，并通过 了鉴定四，但由于经费的限制，该领域的研究成果甚少， 1 热机械疲劳特性 1.1滞后回线形状 在热机械疲劳试验过程中，随着控制应变量和温度的变化，材料在变形过程中的力学性 1996-09-22收稿 第一作者男39岁高级工程师

第 19 卷 第 1期 1 9 9 7年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e sr i yt o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o gy B e ij in g V 0 1 . 1 9 N O 一 1 F e b 。 1 9 9 7 金属材料热机械疲劳试验研究 的现状 王 建国 王 连庆 唐俊武 北京科技大 学新金 属材料 国家重点实验室 . 北京 10 0 83 摘要 详细论述 了金属材料 的热机械 疲劳试验 与研究现状 , 分析了 金属材料 的热机械疲 劳特性 , 讨论 了热机械疲劳试验方法 , 并提出 了目前热机械疲 劳试验与研究 中存在 的间题 , 以 及热机械疲 劳研究领域 的研究方 向 . 关健 词 热机械疲劳 , 疲 劳寿命 , 疲劳性 能 中图分类号 T G l l l . 8 早在 1 9 73 年著名 疲 劳专家 A . K . M il er 就提 出热 机械疲 劳 试验 对透平 机的 寿命预 测是 一 种 最基本 的手段 , 通 过模 拟 温度 和应 变 的循 环 (相位 不 一定 为 同相 位 ) , 可 以 演示 在 温度 循环 下 材料 的塑性性 能 、 屈服 特性 、 应力松 弛 和包 氏效 应等 现象 , 并提 出材料 在 热机械疲 劳 下的应 力 一应变 滞后 回 线 , 可 以 用拉 伸 和蠕 变 试验 数 据 为基 本参数 建 立数 学模 型 对其 计算 l[] . 1 9 7 5 年 日本京 都大 学 s h uj i T a ir a 教授 总结 了金 属材料 热机 械疲 劳试 验标 准方法 . 但上 述研 究都仅 限于 简单应力 下 的热机械 疲 劳 . 19 84 年 6 月 美 国宇航 局开始 致力于高温合金材料 多轴应力状 态下 的热机 械疲 劳行为研 究 . 80 年代后期 , 由于 试验设 备与技 术 的发 展 , 使得 热 机械 疲 劳试验 研 究工作 在 国际上 得 以 普遍 展开 . 19 9 5 年 5 月在芬 兰首次召开 了国际热 机械 疲劳学 术 会议 , 就 热机 械疲 劳试验 方法 、 力学行 为和 寿命预测等 问题进 行 了 讨论 . 然而 , 在 试验技 术 方面 , 由于 热机械 疲劳 试验 难度 较 大 , 又 因设备 的差 异 , 很难 实现各 国试 验方 法 的统 一 目前 , 在 国际化标 准 组织 15 0 中虽然设 置 l 个小 组 专门进行 有 关热机 械疲 劳试 验方 法的研 究 工作 , 但至 今还 未看 到热机 械疲 劳试 验 方法 的有关标 准 . 我 国对热机 械疲 劳 的研究 起步 较 晚 , 从 事这 项 研究 工作 的学 者也 不多 . 19 8 5 年冶 金部 钢 铁研 究总 院和 北京科技 大学 先 后从美 国 M T S 公 司引进 了先进 的 热机 械疲 劳 试验 系 统 . 为 了 实现 试验方 法 的统一 和试 验数据的可 比性 , 1 9 89 年 由冶金部 钢 铁研究总院 、 北 京航空 材料 研 究所 和北 京科 技大 学组 成编 制 组 , 制定 金属 材 料轴 向热机 械疲 劳试验 方法 国家标 准 , 并通 过 了鉴 定 21[ . 但 由于经 费的 限制 , 该 领域 的研究 成果 甚 少 . 1 热机械疲劳特性 1 . 1 滞后 回线形 状 在热机械 疲 劳试 验过 程 中 , 随着控 制应 变 量 和温 度 的变 化 , 材 料 在变 形过 程 中的 力学 性 1 9 6 一 o 一 2 收稿 第一 作者 男 39 岁 高级工 程 师 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 01. 001

·2 北京科技大学学报 1997年第1期 能参数也不断变化，不再像等温低周疲劳试验那样材料的抗力在循环过程中为常数.以同相 位热机械疲劳为例，如图1()所示随着应变的增加温度升高，当应变减小时温度降低.多数金 属材料随着温度的升高其抗力不断下降，因此在正半周材料的抗力不断降低，而在负半周抗 力则不断提高，结果导致应力一应变滞后回线的不对称，如图1(6)所示. (a)2.50r 1.50 (b) 1000 GH33A合金 0.50 523-825℃ 同相 -0.500 100 200 300 500 -1.50 t/s -2.501 1000r -1.5-1.0-0.5 0.51.01.5 750 E/% 500 250 -1000 0 100 200 300 t/s 图1同相位热机械疲劳时的波形和应力一应变滞后回线()试验波形，)应力一应变滞后回线) 应力一应变滞后回线的不对称说明在热机械疲劳循环状态下，材料的塑性性能、软硬化 性能以及包氏效应均呈现出复杂特性，一方面给实验数据的处理造成了困难，另一方面对材 料的本构关系的描述，无论是对拉半周还是对压半周，都难以用较为简单的模型来表达，使得 应力一应变场的分析难以进行，也给有限元计算带来了不便 1.2损伤特性 热机械疲劳的损伤是由热循环应力与机械循环应力的共同作用所产生的，然而其损伤程 度并非是二者的简单线性叠加.当加载速 0.01 率较慢时，温度的变化也较慢，因此还伴随 低碳钢 200-500℃ 400℃ ● 有蠕变损伤.研究结果表明，无论是同相位 ● ● 8 热机械疲劳，还是反相位热机械疲劳，其损 ●500℃ 伤均比平均温度日下等温疲芳损伤严重， ● 某些材料甚至比最高温度9mx下等温疲劳 损伤还严重，如图2所示.这说明由于温度 0.001 L 102 103 109 的变化，使得材料不仅存在着疲劳损伤、蠕 寿命1周 变损伤，同时还有二者的交互作用.因此其 图2低碳钢热机械疲劳与等温疲劳寿命， 损伤机理较为复杂，对试验结果的理论分析，日前还有困难. 2热机械疲劳试验方法 热机械疲劳试验过程中，为了保证不：生热变形滞后现象，温度的升降不可能太快.一般 来说，试验要求加载波形与温度波形在保证一定相位差的情况下，二者的频率是相同的，这就

· 2 · 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 7年 第 1期 能参数也不 断 变化 , 不再 像 等温 低 周疲 劳 试验 那样 材 料的抗 力 在循 环过 程 中为 常数 . 以 同相 位热 机械 疲劳 为 例 , 如 图 l (a) 所 示随 着应 变 的增加 温度 升高 , 当应 变减小 时温 度降低 . 多 数金 属材 料 随着 温度 的升 高其抗 力 不 断下 降 , 因此 在 正半周 材料 的抗力 不 断降低 , 而 在负 半周 抗 力则 不 断提高 , 结果 导致应 力一应变 滞后 回线 的不 对称 , 如 图 1(b) 所 示 . G H 3 3 A 合金 5 2 3 ~ 82 5 ℃ 同相 介l| 已. 05 0n小 ù 芝、d目勺 一il0 一 .05 只 ” .5 , , .0 ’ .5 夕 0 厂 “ ` % 份 尸、0 0 0于 10 0 2 0 0 3 0 0 图 1 同相位热机械疲劳时的波形和应力一应变滞后回 线 (( a) 试验波形 , 伪) 应力一 应变滞后 回线 ) 应 力一应 变滞 后 回 线 的不 对称 说明在 热 机械疲 劳 循环 状态 下 , 材料 的塑性 性能 、 软 硬化 性能 以 及 包 氏效 应 均呈 现 出复 杂特性 , 一方 面 给实 验数 据 的处理 造 成了 困难 , 另 一方 面 对材 料 的本构 关系 的描述 , 无论 是 对拉半 周 还是 对压半 周 , 都 难 以 用较 为简单的模 型来 表达 , 使得 应力一应变 场的分析 难 以 进行 , 也给有 限元计算 带来 了不便 . .2 损 伤特 性 热机械 疲 劳的损 伤是 由热循 环应 力 与机 械循 环应力 的共 同作 用所产 生的 , 然 而其损 伤程 度并 非是 二 者 的 简单 线 性 叠 加 . 当加 载 速 率较 慢 时 , 温 度 的变 化 也较 慢 , 因 此 还 伴随 有蠕 变 损伤 . 研 究结 果 表 明 , 无 论是 同相 位 热机 械疲 劳 , 还 是反 相 位热 机械 疲 劳 , 其 损 伤均 比平 均温 度 0m 下 等 温 疲劳 损 伤 严 重 , 某些 材 料 甚至 比最高 温 度 e m a 、 下 等温 疲 劳 损伤还 严重 , 如 图 2 所 示 . 这 说 明 由 于温 度 的变 化 , 使得 材 料不 仅 存在 着 疲 劳损 伤 、 蠕 变损 伤 , 同 时还 有二 者 的交 互 作用 . 因此 其 损伤 机理较 为复 杂 , 对 试验 结果 的理 论分 析 , 目 1 0 2 10 3 10 4 寿命 / 周 图2 低碳钢热机械疲劳与等 温疲劳寿命 13 前还有 困 难 . 三凳-10t ℃ . : , g 勺熟义 飞 … … 1 二 1 . 2 热机械疲劳试验方法 热机 械疲 劳 试验 过 程 中 , 为 了保 证 不产 生热 变形 滞后现 象 , 温度 的升 降不 可能太快 一 般 来说 , 试验要求 加载 波形 与温 度波形 在 保 证一 定 相位 差的情 况 下 , 二者 的 频率是 相同 的 , 这 就

Vol.19 No.1 王建国等：金属材料热机械疲劳试验研究的现状 ·3· 直接影响试验过程中的加载频率.因此，热机械疲劳属低循环疲劳范围 热机械疲劳从表观上来看，是低循环疲劳与热疲劳的叠加，所以其试验设备、方法、各参 量的定义是以低循环疲劳和热疲劳为基础而演化形成的. 2.1试验设备 与高温低循环疲劳试验系统一样，在热机械疲劳试验系统中也有2个相互独立的控制闭 环回路，即机械加载和热循环加载闭环回路，所不同的是，热机械疲劳试验过程中需要温度不 断变化，因此要求加温装置应具有一定的变温能力，并配置性能良好的程序控制系统. (1)加载装置一机械疲劳部分 热机械疲劳试验系统的加载部分一般采用电液伺服试验机.配备有电液伺服试验机的系 统加载反馈与控制速度快，测量与控制精度高，并可实现多轴非比例加载和谱载疲劳试验，是 目前被普遍应用的材料试验设备，但其价格昂贵， (2)加热装置一热疲劳部分 加热装置、测温元件和温度控制系统组成热循环加载闭环回路，即热疲劳闭环回路.测温 元件大多采用热电偶和红外测温装置.前者结构简单，但重复性和稳定性取决于操作人员，而 后者重复性和稳定性较好，但结构复杂，并要求已知试样材料的黑度值 热机械疲劳试验系统加热方式分为：电阻丝炉加热、直接通电加热和高频感应加热 电阻丝加热炉的特点是：可以保证试样标距内的温度场非常均匀，标距内轴向温度梯度 最大仅为3℃，径向温度梯度更小；除金属材料外可对陶瓷、复合材料和其他非金属材料加 热，但变温能力较差；试样的安装不方便，试验中也无法观察到试样表面情况 直接通电加热方法的特点是：设备简单，加热速度快，容易观察到试样表面的情况，但试 样标距内的温度场非常不均匀，轴向温度梯度可高达100~200℃，如图3()所示；对于电阻 (a) (b)500- 0 600 30 400 IA 受圣用 30 1-A0300 I-E 遥0盛号 U-B 20 06。 2 I-E 200 I-c 。上升 热循环：200~500℃ B ·下降 周期：50s3 I-8 -1 .0 15 -10-50510 断面水平位移/mm 水平位移mm 图3不同加热方式下试样标距内温度分布()直接通电加热，(b)感应加热) 值较小的有色金属材料不易加热，如果端部无辅助加热，要获得均匀温度场是困难的，而且要 求试样应与载荷架具有良好的绝缘性， 高频感应加热具备上述2种加热设备的优点：试样标距内轴向温度梯度的大小介于电阻 丝加热方式和直接通电加热方式之间，但与感应加热圈的几何形状、材料、试样几何形状等密 切相关，其中最关键的因素是感应圈的几何形状，感应圈的绕制应在考虑得到均匀温度的同

V ol . 1 9 N o . 1 王 建 国等 : 金属材料热机械疲劳试验研究 的现状 · 3 · 直接 影响试 验过 程 中的加载 频率 . 因此 , 热机械 疲劳 属低 循环疲 劳 范围 . 热 机械 疲 劳从 表观 上来 看 , 是低 循 环疲 劳 与 热疲 劳 的叠加 , 所 以 其 试 验设 备 、 方法 、 各 参 量的定 义是 以 低 循环 疲劳和 热疲 劳 为基 础而演 化形 成 的 . 2 . 1 试验 设备 与高 温低循 环疲 劳试 验 系统一样 , 在热 机械疲 劳试 验 系统 中也有 2 个相 互 独立 的控制 闭 环 回 路 , 即机械 加载 和热循 环加 载 闭环 回 路 . 所不 同的是 , 热 机械 疲劳 试验过 程 中需要 温度 不 断变 化 , 因此要 求加 温装置 应具 有一定 的变温 能力 , 并配 置性能 良好 的程 序控 制系 统 . ( 1) 加载装 置 — 机械 疲 劳部分 热 机械疲 劳试 验系 统的加 载部 分一 般采 用 电液伺服 试验 机 . 配备有 电液 伺服 试验 机的 系 统加 载反 馈 与控 制 速度快 , 测量 与控 制精 度 高 , 并 可实 现多 轴非 比例加 载和谱载疲 劳试 验 , 是 目前 被普遍 应 用的材 料试验 设备 , 但 其价 格 昂贵 . (2 ) 加 热装 置 — 热疲 劳部 分 加热 装置 、 测温 元件 和温度 控 制系 统组 成热循 环加 载 闭环 回 路 , 即热疲 劳 闭环 回路 . 测 温 元件 大多 采用热 电偶 和红外 测 温装 置 . 前者 结构 简单 , 但重 复性和 稳定性 取决 于操 作人 员 , 而 后者 重复性 和稳 定性 较好 , 但结 构复 杂 , 并要求 已知 试样 材料 的黑度 值 . 热机 械疲 劳试验 系统加 热方 式分 为 : 电阻 丝 炉 加热 、 直接通 电加 热和 高频感 应加 热 . 电阻 丝加 热炉 的特 点是 : 可 以 保 证 试样 标距 内 的温度 场 非常 均匀 , 标距 内轴 向温度 梯度 最 大 仅 为 3 ℃ , 径 向温度 梯 度 更小 ; 除 金 属 材料 外 可 对 陶 瓷 、 复 合 材 料和 其 他 非金 属 材 料加 热 , 但变 温能 力较差 ; 试样 的安 装不 方便 , 试验 中 也无法观 察到 试样 表面情 况 . 直接 通 电加 热方 法 的特点 是 : 设备 简 单 , 加热 速度 快 , 容 易观 察到 试样 表 面的情 况 , 但试 样标距 内的温度 场非 常不均 匀 , 轴 向温 度梯 度 可高 达 10 一 2 0 ℃ , 如 图 3 (a) 所示 ; 对于电阻 ( a ) 庄王告3 0 旺牙1 一 A 二不矛竺一一二~已一卜卜 ,气夭 户刁加 , 州山 . . ` 一一 ~ _ ; 二 - 一 . r 闷贬 州川卜 , J ` ·一 . 一一“ 凡 一 一 ~ 勺门比 . “ . ` ` 户 ` . 一 , r 一 , 户叫 . 二 .训~卜~ J . 叫 ~ , 甲 . 口 叼声` 祠 , 二 曰. ~ -门` 一 . 一 一 } 。 上升 热循 环 : 2 0 一 . 下降 周期 : 50 5 . 1 { 二二矛竺一一立~匕一卜卜阅久叱 户刁加 , 州山 . . ` 一一 ~ _ ; 二 - 一 . 州川卜 , J ` · r 阅贬 一 . 一一“ 凡 一 一 ~ 勺门比 . “ . ` ` 户 ` . 一 , r 一 , 户叫 . 二 .训~卜~ J . 叫 ~ , 甲 . 口 叼声` 祠 , 二 曰. ~ -门` 一 . 一 一 , 一一口一叫卜一叫 r ~ 0 上升 热循 环 : 2 0 0 - . 下降 周期 : 50 5 一 、 l 尸、0 断面 水平位移 / m m 水平位移 / ~ 图 3 不同加热方式下试样标距 内温度分布’lI (( a) 直接通 电加热 , (b) 感应加热 ) 值较 小的有 色金 属材料 不易 加热 , 如果 端部 无辅 助加 热 , 要 获得 均 匀温度场 是 困难 的 , 而且 要 求试 样应 与载荷架 具有 良好 的绝缘性 . 高频感 应加 热具 备上 述 2 种加 热 设备 的优 点: 试样 标距 内轴 向温 度梯 度的 大小介 于 电阻 丝加 热方式 和直 接通 电加热 方式之 间 , 但 与感应 加热 圈 的几何 形状 、 材料 、 试样 几何 形状等 密 切相 关 . 其 中最 关键 的因素是感 应 圈 的几 何形 状 , 感应 圈 的绕制应 在 考虑 得到 均 匀温 度的 同

4 北京科技大学学报 1997年第1期 时又要兼顾到加热能力.试验时在保证加热能力的情况下，若能将加热圈的几何形状、材料相 协调，可以得到较为理想的均匀温度场，如图3(b)所示.另外，若在冷却时采用喷射高压空气 的方法，可以使试样温度迅速下降，从而加快试验频率，鉴于上述优点，尽管该设备结构复杂， 价格昂贵，但目前得以广泛使用. (3)应变测量装置 在热机城疲劳试验中，特别是在应变控制时，试样的变形测量直接决定着试验结果的准 确性，因此要求装置应具有较高的精度，良好的稳定性、直线性和重复性)目前广泛使用的 测量装置有线性位移放大器(LVDT)和引伸仪(extensometer)). LVDT具有安装方便，造价便宜等优点，其不足是精度不高，由于其测量杆一般为金属 件，其测量精度受试验温度的影响，因此测量重复性和稳定性较差， 引伸仪的特点是：精度高，重复性和稳定性均优于LVDT,但结构较复杂，设计与制造技 术要求高，并需要专门的固定装置和冷却系统，因此造价高， 2.2试验技术方法 试验技术方法中的标准试验方法，是研究与试验人员确定研究目标和制订试验方案的依 据，并使得不同试验数据具有可比性.因此，我国、日本、韩国以及IS0等都致力于金属材料热 机械疲劳标准试验方法的研究工作， 热机械疲劳试验涉及面广，影响因素较多，其中首先要解决的问题是：温度场的调试、温 度与机械载荷波形的协调一致性、热变形的补偿和控制软件的研制，以及试验后的试验数据 处理与分析. 3存在的问题 3.1热变形补偿 为了便于实现热机械疲劳性能与等温疲劳性能的比较和试验数据的处理与分析，往往通 过热变形补偿法，即在热机械循环状态下得到对称的应力一应变滞后回线.热变形补偿的方 法目前有程序补偿法和自动补偿法，程序补偿就是采用计算机编制控制软件；自动补偿是利 用专门设计的单板机或单片机实现温度的自动补偿. 无论是程序补偿法还是自动补偿法，只能消除因温度变化而产生的热变形对应力一应变 关系的影响，而不能消除在一定应力水平下蠕变变形对应力一应变关系的影响.蠕变变形（速 率)与温度和应力水平有关，也就是说只有在循环温度范围较小，温度不太高或循环频率较快 时，即基本上不产生蠕变时，才能获得较为对称的应力一应变滞后回线.实验结果表明：在温 度较低时结果较为理想，温度较高时在高温侧的温度补偿效果远不如在低温侧好.因此，关于 热变形补偿的问题还有待于进一步的研究. 3.2寿命的唯像描述 热机械疲劳损伤的发展、裂纹的形成和裂纹的扩展的不同阶段也像低周疲劳和等温疲劳 一样，可以采用单一连续介质方程的方法加以描述，即疲劳寿命的唯像描述方法.疲劳寿命的 唯像描述方法有应力一寿命法和应变一寿命法)，但对热机械疲劳寿命而言，2种描述方法均

· 4 · 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 7年 第 l 期 时又要兼顾到 加 热能力 . 试 验时在 保证 加 热能 力 的情况 下 , 若 能将 加热 圈的几何 形状 、 材料 相 协 调 , 可 以 得到 较 为理 想 的均 匀 温度 场 , 如 图 3 ( b) 所 示 . 另外 , 若 在冷 却 时采 用喷射 高压空 气 的方法 , 可 以使试 样温 度迅 速下 降 , 从 而加 快试 验 频率 . 鉴于 上述优 点 , 尽 管该设备结 构复杂 , 价 格 昂贵 , 但 目前 得 以 广泛 使用 . ( 3) 应变测 量装 置 在热 机械 疲 劳试 验 中 , 特 别是 在 应变 控 制 时 , 试 样 的变 形测 量直 接 决定 着试验 结 果 的准 确 性 , 因此 要求 装 置 应具 有 较高 的精度 , 良好 的稳定 性 、 直 线性 和 重复 性 21[ . 目前广 泛 使用 的 测 量装置 有线 性位 移放大 器 ( L v D T ) 和 引伸仪 ( e x t e n s o m e t e r ) . L V D T 具有 安 装 方便 , 造价 便 宜 等 优 点 , 其 不 足是 精 度 不 高 . 由于 其 测 量杆 一 般 为金 属 件 , 其测量 精度 受试 验温 度 的影 响 , 因此 测量 重复 性 和稳定性 较 差 . 引伸仪 的特 点是 : 精度 高 , 重复性 和稳 定 性 均优于 L V D T , 但结 构 较复 杂 , 设计与 制造 技 术 要求高 , 并需 要 专门的固定 装置 和冷却系 统 , 因此造 价高 . .2 2 试验技术方法 试 验技术 方法 中的标 准试验 方法 , 是研 究 与试验 人 员确定 研究 目标和 制订试 验方 案的依 据 , 并使得不 同试 验数据具有 可 比性 . 因此 , 我 国 、 日本 、 韩 国以 及 15 0 等都致力于 金属材 料热 机 械疲 劳标准 试验 方法 的研究 工作 . 热机 械疲 劳 试验 涉及 面 广 , 影 响 因素较 多 . 其 中首先 要解 决 的 问题是 : 温度 场 的调 试 、 温 度 与机 械载 荷 波形 的 协调 一致 性 、 热 变形 的 补偿 和控 制 软件 的研 制 , 以 及 试验 后 的试验 数据 处理 与分 析 . 3 存在的问题 3 . 1 热变形 补偿 为了便 于实 现热机 械疲 劳性 能 与等温 疲劳性 能 的 比较和 试验数 据 的处理 与分析 , 往往通 过 热 变形 补偿法 , 即在 热机 械 循环 状 态下 得 到对称 的应 力一应变 滞 后 回 线 . 热 变形 补偿 的方 法 目前 有 程序 补偿法 和 自动 补偿 法 . 程 序 补偿就 是采 用 计算 机编 制 控制 软件 ; 自动 补偿 是利 用专 门设 计 的单板 机或单 片 机实现 温度 的 自动补 偿 . 无 论是程 序补 偿法 还是 自动 补偿 法 , 只能 消除 因温度 变化 而产生 的热 变形对应力一应变 关系 的影响 , 而 不 能消 除在 一定应 力水 平下 蠕变 变形 对应 力一应变 关系的影 响 . 蠕 变变 形 (速 率) 与温 度和 应力 水平 有关 , 也就是 说只有 在循 环温 度范 围较小 、 温度 不太 高或循 环频 率较快 时 , 即基本 上不 产 生蠕 变 时 , 才 能 获得 较 为对称 的应 力一应 变滞后 回线 . 实验结 果表 明: 在 温 度较低 时结果 较 为理想 , 温度 较 高时在 高温 侧 的温度 补偿 效果 远不如 在低 温侧好 . 因此 , 关于 热变形 补偿 的 问题 还有 待于 进一步 的研 究 . .3 2 寿命的唯像描述 热机械疲 劳 损伤的发展 、 裂纹 的形 成 和裂纹 的 扩展 的不 同阶段也像 低 周疲 劳和等 温疲 劳 一样 , 可 以采 用单 一连 续介 质方程 的方 法加 以描 述 , 即疲 劳寿命的唯像 描述 方法 . 疲劳 寿命的 唯像描述方 法有应 力一寿命法和 应变一寿命法 5[] . 但 对热机 械疲 劳寿命而言 , 2 种 描述 方法均

Vol.19 No.I 王建国等：金属材料热机械疲劳试验研究的现状 5· 得不到唯一的寿命方程 如图1(b)所示，热机械疲劳应力一应变滞后回线中最大应力范围与最大应变范围并不一 致，因此在使用应力一寿命唯像描述方法时，分别用最大应力范围和最大应变范围对应的应 力范围描述疲劳寿命，将得出不同的寿命方程. 同样在应变一寿命描述方法中，若分别采用总应变范围△ε，机械应变范围△em、非弹性 应变范围△e描述疲劳寿命，也可得出不同的寿命方程.因此，有关热机械疲劳寿命的描述方 法还需做深人研究， 33寿命预测方法 疲劳研究的最终目标是发展定量模型用以预测循环受载工程构件的有效寿命.由于热机 械疲劳机理的复杂性和缺少大量试验数据，因此对热机械疲劳损伤机理研究不够深人，对材 料的寿命估算也只有半经验的方法. (1)数学模型法 模型方法是最为直观并可直接计算出疲劳寿命的理想方法，但对于较为复杂的热机械疲 劳建立寿命计算模型是较为困难的 对于球墨铸铁材料，在假设裂纹在铸铁基体中的扩展规律与基体性质相近的低碳钢中的 扩展相同和认为表面裂纹扩展机理与无限平板穿透裂纹相似的前提下，用J积分方法，则导 出了热机械疲劳寿命估算模型6： ap-m-ai-m (a所^N,=Cm-1)(2πM) (1) 该模型仅适用于同相位和反相位热机械疲劳的寿命估算，其可靠性还有待于进一步验证 (2)应变范围划分法 应变范围划分法是由Halford,Hirschbreg和Manson提出来的，它将蠕变与机械疲劳的交 互作用所造成的总损伤分解成机械纯疲劳的应变范围分量和与时间相关的应变范围分量二 者所造成的损伤.该方法在热机械疲劳寿命的估算中也得以应用).其基本思路是首先把复 杂波形热机械疲劳中的塑性应变和蠕变应变用阶梯应力法区分出来，然后根据高温低循环疲 劳中的应变范围划分法进行4种类型的疲劳试验来估算寿命. (3)等效温度法 所谓等效温度法估算热机械疲劳循环寿命，就是要找到这样一个温度，使其在该温度下 的等温失效循环数与对应的热机械疲劳失效循环数相等).从表面上看，对某一特定的条件， 总可以找到等效温度.但因热机械疲劳变化参数较多，如相位差与循环温度范围等，因此，要 建立等效温度计算模型是不可能的 由此可知，热机械疲劳寿命的估算到目前为止还很不成熟，基本是沿用高温低循环疲劳 寿命估算法，现有的研究报告仅涉及到同相位和反相位加载方式，对疲劳寿命的估算方法也 仅限于简单应力状态和简单相位差的范围内. 5结束语 金属材料的热机械疲劳试验是研究工程材料力学行为与损伤机理和估算热端零部件使

V ol . 19 N .o 1 王 建国 等: 金属材料热机械疲劳试验研究的现状 · 5 · 得不到 唯一 的寿命方程 . 如 图 1(b) 所示 , 热机 械疲 劳应 力一应变 滞后 回 线 中最 大应力 范 围与最 大应 变范 围并不 一 致 , 因此 在使用 应力 一寿命唯像描述 方 法 时 , 分 别 用最 大应 力 范 围和最 大 应变 范 围对应 的应 力 范 围描 述疲 劳寿命 , 将得 出不 同的寿命 方程 . 同样在 应变 一寿命描述 方法 中 , 若分 别 采用 总 应变 范 围 △￡ t 、 机 械应 变 范 围 △￡ m 、 非弹 性 应变 范 围 △: 、 描 述疲 劳 寿命 , 也 可得 出不 同 的寿命方程 . 因此 , 有 关热机 械疲 劳 寿命 的描述 方 法还 需做 深人研 究 . .3 3 寿命预测 方法 疲 劳研究 的最 终 目标 是发 展定 量模 型用 以 预 测循 环受 载工程 构件 的有效 寿命 . 由于 热机 械 疲 劳机理 的 复杂性 和 缺 少大量 试 验数据 , 因此 对热机 械疲 劳 损伤 机理 研究 不 够深 人 , 对材 料 的寿命估算 也只有 半经 验 的方法 . ( l) 数学模型法 模型 方法是 最 为直观 并可 直接 计算 出疲 劳寿命的理 想方 法 , 但 对于 较为复 杂 的热机械 疲 劳建 立 寿命计算 模 型是较 为 困难的 . 对于 球墨铸铁 材料 , 在假设 裂纹 在铸 铁基 体 中的扩 展规律 与基 体性 质相近 的低 碳钢 中的 扩 展相 同和认 为表 面 裂纹 扩展 机理 与 无 限平 板穿 透 裂纹 相似 的前提 下 , 用 J 积分 方法 , 则 导 出了热机 械疲 劳寿命估算模 型 6[] : a 六 一 ’ 一 a { 一 ’ (△哟 ’ .r丛 一 瓦蔺丁顶乏妥灭尹 ( l ) 该模型仅适 用于 同相位 和反相 位热机 械疲 劳 的寿命估算 , 其可靠 性还有 待于进一步 验证 . (2 ) 应 变范 围划 分法 应变 范 围划分 法是 由 H al fo dr , H isr hc b r eg 和 M an so n 提 出来的 , 它将 蠕变 与机械疲 劳 的交 互作 用所 造 成 的总损 伤分解 成机 械 纯疲 劳 的应 变 范围分 量和 与时 间相 关的 应变 范 围分量 二 者所 造成 的损伤 . 该 方法 在 热机械 疲 劳 寿命的估 算 中 也得 以 应 用 v[] . 其 基 本思 路是 首 先把 复 杂波 形热机 械疲 劳 中的塑性应 变和 蠕变应 变 用阶梯 应力 法 区分 出来 , 然后 根据 高温低 循环 疲 劳 中的应变 范围划 分法 进行 4 种类型 的疲 劳试 验来估 算 寿命 . (3) 等效 温度法 所谓 等效 温度 法 估算 热机 械疲 劳循 环 寿命 , 就 是要 找到 这样 一个 温 度 , 使其在该 温度 下 的等 温失效 循环 数与 对应 的热机 械疲 劳 失效 循环 数相等 v[] . 从 表 面上看 , 对某 一 特定 的条 件 , 总可 以 找 到等效温 度 . 但 因热机 械疲 劳 变化 参数较 多 , 如相位 差 与循 环温 度 范围等 , 因此 , 要 建 立等效温度 计算模 型是 不可 能的 . 由此可 知 , 热 机械 疲 劳寿命的估 算到 目前 为止 还很 不成 熟 , 基本是 沿 用 高温低 循 环疲 劳 寿命估算 法 . 现有 的研究 报告 仅 涉及 到 同相 位和 反 相位 加载 方式 , 对疲劳 寿命的估 算 方法 也 仅 限于简 单应力状 态和 简单相 位差 的范 围 内 . 5 结束语 金 属材料 的 热机 械疲 劳试 验是 研究 工 程材 料力 学行 为 与损 伤机理 和 估算 热端 零 部件 使

6 北京科技大学学报 1997年第1期 用寿命的最为有效的方法，愈来愈受到工程界的重视.20多年来，研究学者在该领域中已做 了大量的工作，但是还有许多问题有待于解决，诸如：相位对TMF性能影响的深人研究；损伤 机理基础研究；寿命估算模型的建立；多轴比例加载、非比例加载条件下材料的热机械疲劳性 能，等等， 参考文献 1 Miller A K.A Realisitic Model for the Deformation Behaviour of High-temperature Materials.In: Fatigue at Elevated Temperatures,ASTM STP 520.American Society for Testing and Materials, 1973.613 2王海清.金属材料轴向热一机械疲劳试验方法，见：第四届全国热疲劳学术会议论文集，湖北武汉， 1993.214 3 Skelton P R.Fatigue at High Temperature.Applied Science Publishers,1983.17 4 Taira S.A Contribution to the Standardization of Testing Method for Thermal Fatigue.In:Proceed- ings of the 1974 Symposium on Mechanical Behaviour of Materials,1974.493 5 Suresh S.Fatigue of Materials.London:Combridge University Press,1991 ·6郭成壁，周伟生，铸铁热疲劳特性实验及断裂力学计算分析.见：第二届全国高温强度学术会议论文集， 青岛，1988.268 7何晋瑞.金属高温疲劳.北京：科学出版社，1978 Situation of Experimental Investigation on Thermal-mechanical Fatigue of Metal Materials Wang Jianguo Wang Lianging Tang Junwu State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The current situation of experimental investigation on thermal-mechanical fatigue of metal materials are discussed.The test method and performance of thermal- mechanical fatigue are analyzed.The research direction and problems existing in thermal- mechanical fatigue test and research are proposed. KEY WORDS thermal-mechanical fatigue,fatigue life,fatigue property

· 6 · 北 京 科 技 大 学 学 报 19 97 年 第 1期 用寿 命的最 为有 效 的 方法 , 愈 来 愈受 到 工 程界 的 重 视 . 20 多 年 来 , 研究 学 者 在该 领域 中已 做 了 大量 的工 作 , 但 是还 有许 多 问题 有待 于解 决 , 诸如 : 相 位对 T M F 性 能影响 的深入 研究 ; 损伤 机 理基 础研究 ; 寿命估算模 型的 建立 ; 多轴 比例加 载 、 非 比例加 载条件 下材料 的热机 械疲 劳性 能 , 等等 . 参 考 文 献 1 M il l e r A K . A R e a li s i t i e M o d e l fo r ht e D e fo mr a ti o n B e h a v i o ur o f H ig h 一 t e m Pe r a t u er M a t e ir a l s . I n : F at i g u e at E l e v at e d T e m P e ar tUr e s , A S T M S T P 5 2 0 . A m e ir e a n S o e i e yt fo r T e s ti n g an d M a t e r i a l s , 1 9 7 3 . 6 1 3 2 王 海清 . 金属 材料 轴 向热一 机械 疲劳 试验 方法 . 见 : 第 四 届 全 国 热疲 劳学术 会议论 文集 . 湖 北武汉 , 1 9 9 3 . 2 14 3 S k e l t o n P R . F a t ig u e a t H ig h T e m P e r a tU r e . A P Pl i e d S e i e n e e P u b l i s h e sr , 19 8 3 . 1 7 4 T a iar S . A C o n itr b u t i o n t o ht e S at n d a r d i z a t i o n o f T e s t i n g M e ht o d fo r T h e mr a l F a t ig u e . I n : Por c e e d · i n g s o f ht e 1 9 7 4 S y m P o s i u m o n M e e h a n i e a l B e h a v i o ur o f M a t e r i a l s , 1 9 7 4 . 4 9 3 5 S u r e s h S . F a ti g u e o f M a t e r i a l s . L o n d o n : C o m b ir d g e U n i v e r s iyt Pr e s s , 19 9 1 6 郭成壁 , 周伟生 . 铸铁热疲 劳特性 实验 及 断裂力学计算分析 . 见: 第二届 全国 高温强 度学术会议论文集 . 青岛 , 1 9 8 8 . 2 6 8 7 何晋瑞 . 金 属高温疲 劳 . 北京: 科学 出版社 , 19 7 8 S i tu at i o n o f E x P e r im e n t a l I n v e s t ig a t i o n o n T h e rm a l 一 m e e h a n i e a l F a t i g u e o f M e t a l M a t e r i a l s 环飞王n g iJ a n gU o 环产泛n g L i a n q i , ` 9 aT n g uJ n w u S at t e K e y L a b o r a t o 职 fo r A d v a n c e d M e t a l s a n d M a t e r i a l s , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 00 83 , C h i n a A B S T R A C T T h e e u r e n t s itu a t i o n o f e x P e r im e n t a l i n v e s t i g a t i o n o n th e rm a l 一 m e e h a n i e a l fat i g u e o f m e ta l m a t e r i a l s ar e d i s e u s s e d . T h e t e s t m e ht o d an d P e r fo rm a n e e o f t h e rm a l - m e e h a n i e a l fa t ig u e a r e a n a l y z e d . T h e r e s e ar e h d i r e e t i o n a n d P r o b l e m s e x i s t i n g i n t h e rm a l - m e e h a n i e a l fa t i g u e t e s t a n d r e s e a r e h a r e P r o P o s e d . K E Y W O R D S t h e rm a l 一 m e e h a n i e a l fa t ig u e , af ti g u e life , af t i g u e P r o P e yrt