热机械疲劳寿命的应变唯象描述

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.05.011 第18卷第5期 北京科技大学学报 V01.18No.5 1996年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1996 热机械疲劳寿命的应变唯象描述 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 摘要通过比较热机械疲劳寿命的3种不同唯象描述方法，讨论了相位差对疲劳寿命的影响提出 对疲劳寿命的唯象描述应采用总应变范围△e,或非弹性应变范围△。，才符合工况模拟试验和 疲劳寿命预测的基本条件. 关键词热机械疲劳，寿命曲线，非弹性应变范围 中图分类号TG111.8 高温高压设备中的许多热端零部件，在其工作时不仅承受着交变机械载荷作用产生的 循环机械应力（应变），同时还承受着由受温度交变或温度梯度而产生的热循环应力（应变） 研究结果表明，热端零部件在机械循环应力与热循环应力共同作用下的疲劳损伤，即热机 械疲劳损伤比单独机械循环应力作用下的等温疲劳损伤严重1，且损伤程度随机械循环应 力与热循环应力的相位而变化1.因此，研究工程材料和热端零部件的热机械疲劳(TMF)损 伤，对正确评价材料、预测工程构件的使用寿命以及工程设计均有实际意义， 1TMF中的各应变分量 TMF属低循环疲劳，在试验中应采用应变控制，因此描述其疲劳寿命的变量一般选择 在应变范围.图1为TMF试验时测得的应变和温度波形.从图1中可以看到，在TMF试验 中既有机械变形，也有热变形.因此试样中的总应变ε，应包括机械应变分量em和热应变分 量两部分，它们之间的关系为： Et=Em +Eth (1) 在试验时由于受试验设备及其他条件的限制，可以采用总应变ε，控制方式，也可以采用 机械应变em控制方式.在控制机械应变时其应变范围可根据(1)式计算出.如果将热循环平 均温度下的热应变视为零，则同相位(in-phase)和反相位(out-of-phase)时各应变分量范围的 关系分别如下： △e,=△em+△eh (同相位) △e,=△em-△eh (反相位) 式中热应变范围ε，为试验温度范围内的应变幅值，是试验前在试样无约束时直接测量 其热循环下的变形量计算出来的.由此关系式，就可以计算出在不同相位下各应变分量的 1996-03-01收稿 第一作者男38岁高级工程师 ·冶金部资助项目

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 。 热机械疲劳寿命的应变唯象描述 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 摘要 通 过 比较 热机械疲 劳 寿命 的 种不 同唯 象描述方法 ， 讨论 了相 位差 对疲劳寿命 的影 响 提 出 对疲 劳寿命 的 唯 象描述 应采用 总应 变 范 围 △。 或非弹性 应变 范 围 △￡访 ， 才符合工 况模拟 试验和 疲 劳 寿命预测 的基本条件 关键词 热机械疲 劳 ， 寿命 曲线 ， 非弹性应变范 围 中图分类号 高 温 高 压 设 备 中 的 许多 热端 零 部 件 ， 在 其工 作 时不 仅承 受 着 交 变 机 械 载 荷作 用 产 生 的 循 环 机 械 应 力 应 变 ， 同 时 还 承 受 着 由受 温度 交 变 或 温 度 梯 度 而 产 生 的 热循 环 应 力 应 变 研 究 结果 表 明 ， 热端零 部 件 在 机 械 循 环 应 力 与热循 环 应 力 共 同作 用 下 的疲 劳 损 伤 ， 即 热 机 械 疲 劳 损 伤 比单 独机械 循 环 应力 作 用 下 的等 温疲 劳损 伤严 重〔 ’， ， 且 损 伤程度 随机 械循 环应 力 与 热循 环应 力 的相 位而 变化 因此 ， 研究 工程 材 料 和 热端 零部件 的热机械 疲 劳 损 伤 ， 对正 确评 价 材料 、 预测 工 程 构件 的使用 寿命 以 及 工 程 设计 均 有 实 际意 义 中的各应变分量 属 低 循 环疲 劳 ， 在 试 验 中应 采 用 应 变 控 制 ， 因 此 描 述 其疲 劳 寿命 的变 量 一 般 选 择 在应 变 范 围 图 为 试验 时测 得 的应 变 和 温 度波 形 从 图 中可 以 看 到 ， 在 试验 中既 有 机 械 变 形 ， 也 有 热 变形 因 此 试 样 中的总 应 变 。 应 包 括 机 械 应 变 分 量 气 和 热 应 变分 量 。 、 两部 分 ， 它们 之 间的 关系 为 ￡， ￡ ￡， 在 试验 时 由于 受 试验设 备及 其他条件 的限制 ， 可 以 采 用 总 应变 ￡，控制方 式 ， 也 可 以 采用 机 械 应 变 气 控 制 方 式 在控 制机械 应 变 时其应变 范 围 可 根 据 式计算 出 如果将 热循 环 平 均 温 度 下 的热 应 变 视 为零 ， 则 同相 位 一 和 反 相 位 一。 时各应 变分 量 范 围 的 关 系分别 如 下 △。 △￡ △￡ △￡， △￡ 一 △ 同相 位 反 相 位 式 中热 应 变 范 围 。 为 试验 温 度 范 围 内的应 变 幅值 ， 是 试 验 前 在 试 样 无 约 束 时直 接 测 量 其 热 循 环 下 的 变 形 量 计算 出来 的 由此 关 系 式 ， 就 可 以 计 算 出在 不 同相 位 下 各应 变 分 量 的 一 一 收 稿 第 一作 者 男 岁 高级 工 程 师 巾 冶金 部 资助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1996．05．011

Vol.18 No.5 王建国等：热机械疲劳寿命的应变唯象描述 ·447· 1.50 1.50 1.00 1.00 0.50 0.50 0.00 8 0.00 -0.50 -0.50 -1.00 -1.00 b)反相位 (a)同相位 -1.50 -1.50L 0100200300400500 0 100200300400500 s t/s 图1TMF中的各应变分量随时间的变化 幅值.表1给出了GH33A高温合金在循环温度范围为523~825℃的状态下各应变分量的 对应关系 表1523~825℃条件下GH33A合金各应变分量 总应变E 热应变分量eh 机械应变分量E(6) (%) (%) 同位相 反相位 Emax 1.0 0.228 0.772 1.228 Emin -1.0 -2.228 -0.772 -1.228 与高温低循环疲劳一样，TMF中的总应 o/MPa 1000 GH33A Alloy 变范围也可划分为弹性应变范围△ε，和非弹 523-825℃ 性应变范围△ea,即： 500 △e,=△e。+△e (2) 但是由于在热机械疲劳状态下材料的应 -l.50-1.00-0.504000.50 001.50e(%) 2 力一应变滞回曲线不对称，同时随着温度的 变化材料的弹性模量也在变化，所以，在 TMF中其△e.是按o=0时滞后回线的宽 EL -1000 度来计算的，如图2所示 图2TMF中计算Tem示意图 2应变范围一寿命关系 由于相位的差异导致了相同总应变范围△ε，下的机械应变范围△e,的不同.显然，TMF 寿命的唯象描述是用△εm还是用△e,就有可能得出不同的结论，甚至得到相反的结论.例 如，对于GH33A高温合金在523~825℃的TMF,若用△Em对其热机械疲劳寿命进行唯象 描述，得出同相位TMF寿命比反相位TMF寿命短，如图3所示；如果用△ε，或非弹性应 变范围△ε，来描述疲劳寿命则得出相反的结论，如图4所示. 对于不同描述方法，TMF寿命与应变范围的关系，均采用指数函数关系进行回归，即： △E=A·N (3) 回归结果列于表2中，结果表明在试验数据范围内具有很好的相关性

王 建 国等 热机械疲 劳寿命的应变唯 象描述 科 ︸气 亡︸ 呈 象。 。 。 一 一 同相 位 一 曰气 中的各应变分最随时间的变化 ︸门︸左‘ 石盏 卜别 幅值 表 给 出 了 高温合 金 在循 环温 度 范 围 为 一 ℃ 的状态下各 应变分量 的 对应 关 系 表 一 ℃ 条件下 形 合金各应变分 总应变 ￡ 热应变分量￡ 机械应变分量￡ 同位相 一 一 反 相 位 一 与 高温低 循 环 疲 劳 一样 ， 中的总 应 变 范 围 也 可 划 分 为 弹性 应 变 范 围 △。 和 非 弹 性 应 变 范 围 △ 。 ， 即 △ △“ △￡、 但 是 由于 在 热机械 疲 劳状 态下 材 料 的应 力一应 变 滞 回 曲线 不 对称 ， 同时 随着 温度 的 变 化 材 料 的 弹 性 模 量 也 在 变 化 ， 所 以 ， 在 中其 △￡ 。 是 按 二 时 滞后 回 线 的 宽 度来 计算 的 ， 如 图 所示 ￡ 〕 一 〔 罗 ￡ 夕尸 － ， 图 中计算 ￡‘ 示意图 应 变范 围一寿命关 系 由于 相 位 的差 异 导致 了相 同总 应 变 范 围 △￡ 下 的机械 应 变 范 围 △。 ， 的 不 同 · 显然 ， 寿命 的唯 象描 述是 用 △ 还是 用 △。 ， 就 有 可 能得 出不 同的结论 ， 甚 至得 到相 反 的结论 例 如 ， 对于 高温 合金 在 一 ℃ 的 ， 若用 △￡ 对其 热机械 疲 劳寿命进行 唯象 描述 ， 得 出 同相 位 寿命 比反 相 位 寿命短 ， 如 图 所示 如果 用 △ 或 非 弹性 应 变 范 围 △￡ 来描 述 疲 劳寿命则 得 出相 反 的结论 ， 如 图 所示 对于 不 同描 述 方 法 ， 寿命 与应 变 范 围 的 关 系 ， 均 采 用 指 数 函数关 系进 行 回 归 ， 即 △￡ 一 · 衅 回 归结果 列 于 表 中 ， 结 果 表 明在 试验 数据 范 围 内具有 很好 的相 关 性

·448· 北京科技大学学报 1996年No.5 4F 570-825℃ 4 570~825℃ 以 2 E 足 0.4 0.4 ·同相 0.2 。反相 0.2。同相 °反相 0.1 10 20 4060100200400600 0 10 20 4060100200400600 Nr/周 N/周 图3机械应变范围T€m与热机械疲劳破 图4总应变范围Te,热机械疲劳破坏 坏寿命W?关系曲线 寿命N关系曲线 3分析与讨论 表2不同唯象描迷述方法的回归结果 Te一W曲线 同相位 反相位 对于TMF寿命关系的描述大多 h TeaNt 5.087 0.3317 7.187-0.3683 用高温低循环疲劳的方法，即采用 Te:—W 4.832-0.2432 12.083☐-0.5830 3.910-0.324056.984 -1.1550 △e:一V或△en一Nr描述TMF寿 Tein—N, 命A,1.而用于△Em一N来描述TMF 寿命曲线疲劳寿命的方法，到目前为止除作者外，只有在美国NASA的研究报告上看到 作者在对飞机祸轮盘材料GH33A合金TMF的试验研究中，曾使用△e.一N,关系来描 述TMF寿命，主要是考虑到便于与等温低循环疲劳寿命加以比较和分析.此时仅把热循环 产生的疲劳损伤作为附加因素，而没在总的疲劳损伤中加以考虑，若是用△εm来描述TMF 寿命关系，显然这样处理是不太合适的.另一方面，从涡轮盘的实际失效情况来看，其危险 及破坏位置在轮盘榫槽底部.进一步分析计算涡轮盘由启动进入稳定工作时的温度与应力 分布情况，可以得出该部位随着温度的升高所受到的压应力也增大).可见该处的失效属典 型的反相位TMF损伤.而用△em表示TMF寿命关系得出的结论是同相位TMF损伤比反相 位严重，这不符合飞机涡轮盘实际情况.从图4中可以看到，采用△ε，来表示TMF寿命关 系，则能较好地反应涡轮盘的实际工况，也符合其寿命预测的基本条件.同样采用△ε来表 示TMF寿命关系，也能反应符合涡轮盘的实际情况.从等温低循环疲劳的损伤机理上来看， 疲劳损伤主要是由塑性应变或非弹性应变造成的，用△e,来表示TMF寿命关系也是合理 的.但是，在TMF中弹性应变的贡献是不可忽视的.因此，对于祸轮盘及其它工程热端零 部件的疲劳损伤采用△ε，来表示，最能反应其实际工作状况. 4结论 TMF损伤是热应力与机械载荷的共同作用而造成的.热端零部件中的应力或应变场， 无论是用有限元计算，还是用实验或其它方法得出，均是包括温度在内的总的变形量，所 以，无论是试验还是疲劳寿命的唯象描述均应用总应变，才能符合工况模拟试验和疲劳寿 命预测的基本条件

北 京 科 技 大 学 学 报 年 一 亡 一 ℃ 白︵求︶告 同相 反 相 同相 反 相 曰︵罗︶匆日 图 周 机械应 变范围 ￡二 与热机械疲劳破 坏寿命 关系曲线 丛 周 图 总应变范围 。 。 热机械疲劳破坏 寿命 关 系 曲线 十卜‘卜 分析与讨论 表 不同唯象描述方法的回归结果 ￡一所曲线 同相 位 反相位 对 于 寿命 关 系 的描述 大多 用 高 温 低 循 环 疲 劳 的 方 法 ， 即 采 用 △“厂 或 △“ 、 一 。 描 述 寿 命 ， 而 用 于 △。 ，一 从来 描 述 擎霎月惫蒸 一 一 一 寿命 曲线 疲 劳 寿命的方法 ， 到 目前 为止 除作者外 ， 只有在 美 国 的研究报告 上 看到 作 者 在 对飞机 涡 轮盘材料 合金 的试 验研究 中 ， 曾使用 △￡。 一 从关 系来 描 述 寿命 ， 主要 是 考 虑 到便 于 与 等温 低 循 环 疲 劳 寿命加 以 比较 和 分析 此 时仅把 热循 环 产 生 的疲 劳损伤作 为 附加 因素 ， 而 没 在 总 的疲 劳损伤 中加 以考虑 ， 若是 用 △￡ 来 描述 寿命关 系 ， 显然 这样处理 是 不 太合适 的 另 一方 面 ， 从涡 轮盘 的实 际失 效情 况来 看 ， 其 危 险 及 破 坏 位 置 在 轮 盘 桦槽底 部 进 一 步 分 析 计算 涡 轮 盘 由启 动 进 人 稳 定 工 作 时 的温 度 与应 力 分布 情 况 ， 可 以得 出该部位 随着 温度 的升 高所 受到 的压应力 也 增 大 可 见 该处的失效 属典 型 的反 相 位 损伤 而 用 △气 表示 寿命关 系得 出的结论是 同相 位 损伤 比反相 位 严 重 ， 这 不 符 合 飞 机 涡 轮 盘 实 际情 况 从 图 中可 以 看 到 ， 采 用 △。 来 表 示 寿命 关 系 ， 则 能 较 好地 反 应 涡轮 盘 的实 际工况 ， 也符合其 寿命 预测 的基 本条件 同样采 用 △气来 表 示 寿命 关 系 ， 也 能反 应符 合 涡 轮 盘 的 实 际情 况 从等温低 循 环疲 劳 的损伤机理 上 来看 ， 疲 劳 损 伤主要 是 由塑性 应 变 或 非 弹性 应 变 造 成 的 ， 用 △￡ 来 表示 寿命关 系 也 是 合理 的 但 是 ， 在 中弹性 应 变 的贡 献是 不 可 忽 视 的 因 此 ， 对 于 涡 轮 盘及 其 它 工 程 热端 零 部 件 的疲 劳损 伤 采 用 △。 来 表示 ， 最 能反 应其 实 际工作 状 况 结论 损 伤 是 热应 力 与 机 械 载 荷 的共 同作 用 而 造 成 的 热端 零 部 件 中的应 力 或 应 变 场 ， 无 论是 用 有 限 元 计 算 ， 还 是 用 实 验 或 其 它 方 法 得 出 ， 均 是 包 括 温 度 在 内 的 总 的变 形 量 所 以 ， 无论是 试 验 还 是 疲 劳 寿命 的 唯 象描 述 均 应 用 总 应 变 ， 才 能符 合 工 况模拟 试 验 和 疲 劳 寿 命 预 测 的基 本 条件

Vol.18 No.5 王建国等：热机械疲劳寿命的应变唯象描述 ·449· 飞机涡轮盘材料GH33A合金在523~825℃的TMF试验结果表明，采用△εm来描述 TMF寿命其结论是同相位疲劳损伤比反相位严重.而采用△e,或△en来描述TMF寿命，则 得出相反的结论.从涡轮盘实际受力状态可知，采用总应变范围△e的唯象描述方法更能反 映构件的真实情况. 参考文献 1 Skelton R P.Fatigue at High Temperature.Applied Science Publishers LTD,1983.17 2杨宜科.金属高温强度及试验.上海：上海科学技术出版社，1986.287 3王建国，唐俊武，王红缨等.GH33A热机械循环性能.北京科技大学学报，1995,17(2)：199 4魏立勇，赵立森.1C13钢的热机械疲劳性能.见：第二届全国高温强度学术会议论文集，1988.268 5 Akito Nitta.Failure Modes and Life Prediction in Thermal-Mechanical Fatigue.In:Proceedings of 1992 Sino-Japan Bilateral Symposium on High Temperature Strength of Materials,1992.281 6 Neslon R S,Schoendorf J F.Creep Fatigue Life Prediction for Engine Hot Section Materials. NASA CR-179550,1986.32 7平修二.热应力与热疲劳.北京：国防工业出版社，1984.270 Disscussion on Relationship between Thermal Mechanical Fatigue Life and Strain Range Wang Jianguo Wang Lianging Tang Junwu The State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACTS The influence of phase on thermal mechanical fatigue life is discussed by comparing with three different kinds of the phenomenological descriptions of the life curves which are expressed in terms of mechanical strain range Asm,total strain range As and inelastical strain range An respectively.And the simplified laboratory thermal mechanical fatigue test method which is subsequently undertaken to simulate the service conditions of engineering materials and the working conditions of the turbine disk.It is show that the terms of total strain range Ae must be used not only in test but also in phenomenological describing the life curve for thermal mechanical fatigue. KEY WORDS thermal mechanical fatigue,life curve,inelastical strain range

王 建 国等 二热机械疲劳寿命的应变唯象描述 · · 飞机 涡 轮盘材 料 合金在 一 ℃ 的 试 验 结果 表 明 ， 采 用 △ 来描 述 寿命其结论是 同相 位 疲 劳损 伤 比反 相 位严重 而 采 用 △￡ 或 △￡， 来描述 寿命 ， 则 得 出相 反 的结论 从涡 轮 盘 实 际受 力状态可 知 ， 采 用 总应变 范 围 △ 的唯象描述 方法更 能反 映构 件 的真 实情 况 参 考 文 献 ， 杨宜科 金属 高温强 度及 试验 上 海 上 海科学技术 出版社 ， 王 建 国 ， 唐俊武 ， 王 红缨等 热机械循环性 能 北京 科技大学学 报 ， ， 魏立 勇 ， 赵立森 钢 的 热机械疲 劳性 能 见 第 二届 全 国 高温强度 学 术 会议论文集 ， 一 一 ， ， 一 ， 平 修二 热应力 与热疲 劳 北 京 国 防工 业 出版社 、 环勺 砰公 ， ， ， △￡ ， △ ， △“ · 而 △。 ，