多轴应力下蠕变疲劳交互作用

D0I:10.13374/j.issnl001053x.1994.04.021 第16卷第4期 北京科技大学学报 Vol.16 No.4 1994年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1994 多轴应力下蠕变疲劳交互作用 王连庆王建国唐俊武 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100O83 摘要。通过对不同应变保持时间下的拉压、扭转和拉扭组合高温疲劳试验，得到了多轴应力下蠕 变疲劳交互作用的特性及断口的微观相图，并且提出了多轴应力状态下疲劳寿命的统一方程， 关键词蠕变和疲劳，多轴应力，保持时间 中图分类号TG111.8 Effect of Combined Fatigue and Creep under Multiaxial Stress Wang Lianging Wang Jianguo Tang Junwu State Key Laboratory for Advanced Metal Materials.USTB.Beijing 100083,PRC ABSTRACT Based on experiments of low-cycle tension-compression,torsion and ten- sion-torsion fatigue with holding time,the interactional law of creep and fatigue under multiaxial stress is proposed.And the micromechanism of equilibrium diagrams is analysed. Finally,a unite equation about fatigue life under multiaxial stress is concluded. KEY WORDS creep and fatigue,multiaxial stress,holding time. 有关蠕变和疲劳交互作用下单轴应力问题，国内外学者已做了不少工作，得到了保持时 间增加，导致疲劳寿命降低的重要结论山)，并提出了相应的寿命方程引. 对于多轴应力下的此类问题，由于受实验条件的限制，目前的研究还不成熟，随着 高新技术的发展，此类问题的探讨日益为工程技术人员所关注，本文利用Nⅰ基合金圆管试 样，在MTS-809液压伺服试验机上进行拉压、扭转和拉扭组合的疲劳试验，研究了多轴应 力下蠕变疲劳交互作用的特性· 1试验方法 试验材料为Ni基高温合金GH33,热处理采用1080℃、8h空冷和700℃、16h空冷.圆 管试样的外径16mm,内径12mm,试验机为MTS-809液压伺服试验机. 试验采用应变控制，波形为三角波·R。=一1，在最大拉应变处保持时间· 194-01-24收稿第一作者男26岁顾士 ·冶金部教育司有偿与资助项目

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 呢 多 轴应力下 蠕 变疲 劳交互作用 ’ 王 连庆 王 建 国 唐俊武 北京科 技大 学新 金 属 材 料 国 家重 点 实验 室 ， 北京 众粥 摘要 通 过 对不 同应变保持 时 间下 的拉压 、 扭 转和 拉扭组合高温疲 劳试验 ， 得 到 了 多轴应力下 蠕 变疲 劳交互作 用 的特性 及 断 口 的微观相 图 ， 并且提 出 了多 轴应力状态下疲 劳寿命 的 统一方程 关健词 蠕变和 疲 劳 ， 多 轴应力 ， 保持 时 间 中图分类号 ’ “ ， ， ， ， 一 卿 拐 一 ， 一 坦 ， 川 污 而 篮℃ 叹 ， 泛洛 万 代℃ ， 乏洛 ， 有 关蠕 变 和 疲 劳交互 作 用 下 单轴应 力 问题 ， 国 内外 学 者 已 做 了 不 少工 作 ， 得 到 了 保 持 时 间增 加 ， 导致 疲 劳 寿命 降低 的重 要 结论 ’ ， ’ ， 并 提 出 了相 应 的寿命方 程 ’ 〕 对于 多 轴应力下 的此 类 问题 ， 由于 受 实验 条 件 的 限制 ， 目前 的研 究 还 不 成 熟 ‘ 】 随着 高新 技术 的发 展 ， 此类 问题 的探讨 日益 为 工程 技 术 人 员 所 关注 本 文 利 用 基合 金 圆管 试 样 ， 在 一 液 压 伺服 试验 机 上 进行拉 压 、 扭 转和 拉扭 组 合 的疲 劳试验 ， 研究 了多 轴应 力 下蠕 变疲 劳交互作 用 的特性 试验方法 试验材 料 为 基 高温合金 ， 热处理 采 用 ℃ 、 空 冷 和 ℃ 、 空 冷 圆 管 试样 的外 径 且 ， 内径 卫 ， 试验 机 为 宽 一 液压 伺服 试验机 试验采用 应 变控 制 ， 波 形 为 三 角 波 尺 一 ， 在 最大 拉 应 变处保持 时 间 望科 一 一 收稿 第 一 作 者 男 岁 硕 士 冶金 部 教 育 司有 偿 与 资助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．04．021

402, 北京科技大学学报 1994年No.4 拉压和扭转所控制的等效应变m=0.6%；拉扭组合所控制的等效应变m=0.8%(拉伸和 扭转的应变比.=1)、保持时间△t分别为0s、30s、60s.120s及240，加卸载时间t为2.5s, 试验控制温度为650℃. 2试验结果和分析 2.1应变保持时间对拉压、扭转和拉扭组合疲劳寿命的影响 由图1可以看出、随着保持时间的增加，3种应力状态的循环次数均下降，在同一等效 应变和同一保持时间下，扭转的疲劳寿命大于拉伸的疲劳寿命· 700r 1.00e 600 20.75 二，超转 扭转 之400 ,拉扭一 智情 0.50 20 二拉压 025 拉D 拉扭 0 0.00 40 80120160200240 0 40 80120160200240 保持时间△：/s 保持时间△：/s 图1疲劳寿命和应变保持时间的关系 图2相对疲劳寿命和应变保持时间的关系 Fig.1 Relation of the fatigue life and the Fig.2 Relation of the relative fatigue life holding time of the strain and the holding time of the strain 如果相对寿命为纵坐标，则可以更清楚地看到保持时间对3种应力状态不同程度的影 响·图2中N为纯疲劳的循环次数，N为有应变保持时间的循环次数，N/N则为相对疲 劳寿命，△t仍为应变保持时间，由相对疲劳寿命和保持时间的关系可以看出，应变保持时 间对拉压的影响最大，即在同一保持时间下，拉压的疲劳寿命下降的最多；对扭转的影响最 小；而对拉扭组合的影响介于以上两者之间，虽然此时拉压控制的应变量小于拉扭组合，从 图1看，拉扭组合的绝对寿命小于拉压的绝对寿命，但是，从图2看，拉扭组合的相对寿命 却高于拉压的相对寿命.这说明，虽然应变量0.8%大于0.6%，但是保持时间对拉压的影响 仍然大于拉扭组合，因此，保持时间对拉压的影响远大于其他应力状态的影响，在工程应用 中这个性能特征应给予重视， 2.2蠕变和疲劳的交互作用 3种应力状态的试验结果，均不满足线性积累损伤规律，即： N/N,+Σ△t/t,<1 式中1，为纯蠕变断裂时间，所以存在蠕变和疲劳的交互作用，从而降低了材料的疲劳寿命

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 拉压 和 扭 转所 控制 的等效应 变 细 二 拉扭 组 合所 控 制 的等效应 变 气 拉 伸 和 扭 转 的 应 变 比 共 ， 保 持 时 间 分 别 为 、 、 伪 、 及 ， 加 卸 载 时 间 为 ， 试 验控制 温 度 为 ℃ 试验结 果 和 分析 应 变保 持时 间对拉 压 、 扭转和拉扭组合疲 劳 寿命的影 响 由图 可 以 看 出 ， 随着 保持 时间的增 加 ， 种 应 力状态 的循 环 次数 均 下 降 ， 在 同 一 等 效 应 变和 同一保 持 时 间下 ， 扭 转 的疲 劳 寿命大 于 拉 伸 的疲 劳 寿命 、 抓 、 转 入 它庄一二不－ ‘ 、 、 、 、 如， ，司， 只 拉扭 一 ‘ 一 一 一 拉扭 －〔 住 之﹄ 电嘴袱鸽七辱一吠 叹奄板恻淤︸之 保持时问 △叮 保持时问 △ 图 疲 劳 寿命 和 应 变保 持 时 间 的关 系 电 图 相对疲劳 寿命和应 变保持时 间的关 系 瑰 如果相 对寿命为纵 坐 标 ， 则 可 以 更 清 楚 地 看 到 保 持 时 间 对 种 应 力 状 态 不 同程 度 的 影 响 图 中 从 为纯 疲 劳 的循 环 次数 ， 为 有 应 变 保 持 时 间 的循 环 次 数 ， 辫 则 为 相 对 疲 劳寿命 ， △ 仍 为应 变 保持 时 间 由相 对疲 劳 寿命 和 保持 时 间 的 关 系 可 以 看 出 ， 应 变 保 持 时 间对拉 压 的影 响最 大 ， 即在 同一 保持 时 间下 ， 拉 压 的疲 劳寿命下 降 的最 多 对扭转 的影 响最 小 而 对拉 扭 组 合 的影 响介 于 以 上 两 者之 间 虽 然此 时拉 压控制 的应 变量 小 于 拉扭 组 合 ， 从 图 看 ， 拉扭 组 合 的绝 对寿命 小 于 拉 压 的绝 对寿命 ， 但是 ， 从 图 看 ， 拉扭 组 合 的相 对寿 命 却 高于 拉压 的相 对寿命 这 说 明 ， 虽 然 应 变 量 大 于 ， 但是 保持 时 间对拉 压 的影 响 仍然大 于 拉 扭 组 合 因此 ， 保持 时 间对拉 压 的影 响远大 于 其他 应 力 状 态 的影 响 ， 在 工 程 应用 中这 个性 能特征应 给予 重 视 蠕 变 和疲劳 的交互作用 种 应 力状 态 的试验 结果 ， 均 不 满足 线性 积 累损 伤规律 ， 即 。 艺 式 中 为 纯蠕 变 断裂 时 间 ， 所 以 存 在 蠕 变 和 疲 劳 的交 互 作 用 ， 从 而 降低 了材料 的疲 劳 寿命

Vol.16 No.4 王连伏等：多轴应力下蠕变疲劳交互作用 403· Lagneborg R)提出的单轴应力状态下蠕变疲劳交互作用的损伤规律为： +(） 21 (1) 式中，B为交互作用系数，B越大，则蠕变 和疲劳交互作用越强：B=O时，符合线性积 。扭转 累损伤规律，即没有交互作用， ·拉扭 方程(1)和所控制的应变量大小无关， 。拉压 因此，可以计算实际构件在保持时间下的使 -·- 文献刊结果 用寿命，本文研究证实，此方程不仅适用于 拉伸单轴应力状态，而且还适用于扭转和拉 扭组合的多轴应力状态，用方程(1)计算拉 伸、扭转和拉扭组合的交互作用系数B分别 为4.15,1.33,2.71.图3中点划线是文献[1) 的研究结果，它所用的材料和试验温度和本 ∑At/5, 文相同，试验采用脉动循环拉伸，其结果与 图3蠕变-疲劳累积损伤图 本文一致· Fig.3 Accumulative damage figure of creep 由此可见，拉压疲劳寿命受应变保持时 and fatigue 间影响较大，其原因是存在较强的蠕变疲劳交互作用，而扭转的蠕变疲劳交互作用最弱， 拉扭组合的蠕变疲劳交互作用介于两者之间， 2.3断口相貌 图4~c)分别是拉压、扭转和拉扭组合在应变保持时间60下，试样断口截面的电镜照片· A , OKU 图4断口的电镜照片 Fig.4 SEM micrograph of fracture surface 文献[3]指出，在单向应力状态下，随着保持时间的增长，试样断口穿晶断裂逐渐减少，而· 沿晶断裂增多.图4a)拉压的断口基本上是沿晶断裂，图46)扭转的断口是穿晶断裂，图4（⊙） 拉扭组合的断口是穿晶和沿晶的混合形貌，垂直于试样断口截面的电镜照片也是呈观同样的 形貌，由于蠕变变形沿晶界发生，它促使疲劳裂纹成核和扩展，拉压时，裂纹在晶界成核

王 连 庆等 多轴应力 下 蠕变疲 劳交互 作用 肠 ’ 提 出的单轴应 力 状态 下 蠕 变疲 劳交 互作 用 的损伤规律 为 ‘ 艺△ 、 ’ 艺△ － 十 万 － 入 － 十 以 － ， 式 中 ， 为交 互 作用 系数 ， 越大 ， 则蠕 变 和疲 劳交互作 用 越 强 时 ， 符 合 线性 积 累 损 伤规律 ， 即没有 交互 作 用 方程 和 所控 制 的应 变量 大 小 无 关 ， 因此 ， 可 以计算 实 际构 件在 保持 时 间下 的使 用 寿命 本文 研究 证 实 ， 此 方 程 不 仅适 用 于 拉伸单轴应力 状态 ， 而且 还 适 用 于 扭 转 和 拉 扭 组合的多 轴应力状态 用 方 程 计算拉 伸 、 扭 转 和 拉 扭组 合 的交 互 作 用 系数 分别 为 ， ， 图 中点划 线 是 文献 〔 」 的研究结果 ， 它所 用 的材料 和 试验温 度 和 本 文相 同 ， 试 验 采 用 脉 动循 环 拉 伸 ， 其 结 果 与 本文一致 由此可见 ， 拉 压疲 劳 寿命受 应 变保持 时 扭 转 拉扭 拉 压 一 一 文 献【 结果 、 、 、 、 、 一 、 肠 ，、 、 石了 艺万端之 孟 瑰 间影 响较 大 ， 其 原 因 是 存 在 较 强 的 蠕 变 疲 劳 交 互 作 用 ， 拉扭组合 的蠕 变 疲 劳交互 作 用 介于 两 者之 间 艺△ 图 蠕 变 一 疲 劳 累 积 损伤 图 理 此 而 扭 转 的 蠕 变 疲 劳 交 互 作 用最弱 ， 断 口 相 貌 图 一 分别 是 拉 压 、 扭 转 和 拉 扭 组合在应变保持 时间 下 ， 试样断 口 截面的电镜照 片 图 断 口 的 电镜照 片 瑰 文献 【 指 出 ， 在单 向应力 状 态下 ， 随着保 持 时 间 的增 长 ， 试 样 断 口 穿 晶 断 裂 逐 渐 减 少 ， 而 沿 晶断裂增 多 图 拉压 的断 口 基 本上 是 沿 晶 断 裂 ， 图 山 扭转的断 口 是穿晶断裂 ， 图 拉扭组合 的断 口 是 穿 晶和 沿 晶 的混合形 貌 垂直 于 试样 断 口 截面 的 电镜 照 片也 是 呈 观 同样 的 形貌 由于 蠕 变 变形 沿 晶界 发生 ， 它促 使 疲 劳 裂 纹 成 核 和 扩展 ， 拉 压 时 ， 裂 纹 在 晶 界 成 核

.404 北京科技大学学报 1994年No.4 蠕变促使其直接沿晶界扩展与至断裂，而在扭转时，裂纹在晶界成核后，穿晶扩展直至断 裂.因而断口的微观相貌再次说明，蠕变疲劳交互作用对拉压的影响大于对扭转的影响· 值得注意的是，在同一等效应变和同一保持时间下，扭转时方程(I)的蠕变项Σ△t/t,要 大于拉压的蠕变项，因此，扭转的晶界蠕变塑性变形要大于拉伸，塑性变形是疲劳损伤的重 要因素，但是，扭转的循环次数却大于拉压的循环次数.所以，不同应力状态蠕变和疲劳交 互作用的微观机理还有待于进一步研究： 2.4疲劳寿命方程 本文通过拉压、扭转和拉扭组合在不同应变保持时间下的一系列疲劳试验，经分析研究 得出多轴应力状态在同一等效应变时的统一疲劳寿命方程： 惑+( n（NxA）+4=1 (2) t. t. 式中的t,为在同一温度、同一等效应变的纯蠕变断裂时间.下角q表示等效值，即： Ba=(B:+B:-BB.B.):N=(Ni+Ni-kN N. 其中B。、B分别为拉伸、扭转时蠕变疲劳交互作用系数；N,、N,分别为拉伸、扭转时纯 疲劳的循环次数，而系数B、k需通过一系列的疲劳试验来确定· 当t=0,N=0时，则N,=NE,,Ba=B。;当G=0,N,=0时，则N=N,B▣=B, 因此，方程(1)是方程(2)的特例· 对于一种工程材料，当已知N,N,B。,B和k,B曲线后，方程(2)便可用于计算 多轴应力下构件的疲劳寿命， 3结论 (1)随着保持时间增加，3种应力状态（拉压，扭转和拉扭组合）的疲劳寿命均有所下降· (2)拉压的蠕变疲劳交互作用最强，扭转的交互作用最弱，拉扭组合的交互作用介于两 者之间，且断口的微观形貌和宏观力学规律一致· (3)提出了多轴应力下疲劳寿命的统一方程· 参考文献 】章安庆等.一种镍基合金低周疲劳的交互作用，金属学报.1979,12：518~525 2杨宜科等，在蠕变疲劳复合作用下12CMoV钢强度特性的研究.见：第二届全国高温强度会议文 集，青岛.1988.238~245 3 Lagneborg R.Attrmo R.The Effect of Combined Low Cycle Fatigue and Creep on the Life of Austenitic Stainiess Steels.Met Frans,1971.2:1821 4 NAOMI HAMADA.Creep--Fatigue Studics under Biaxial Stress State at Elevated Temperature.Fatigue of Engineering Materials and Structure.1984.7(2):85~95

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 蠕 变促 使其直接沿 晶界 扩展 与至 断裂 而 在 扭 转 时 ， 裂 纹 在 晶 界 成 核 后 ， 穿 晶 扩 展 直 至 断 裂 因而 断 口 的微观相 貌再 次说 明 ， 蠕 变疲 劳交互 作 用 对拉 压 的影 响大 于 对扭转 的影 响 值得 注 意 的是 ， 在 同一等 效 应 变 和 同一 保持 时 间下 ， 扭 转 时方 程 的蠕 变项 艺 要 大 于 拉压 的蠕 变 项 因此 ， 扭 转 的 晶界 蠕 变 塑性 变形要 大 于 拉伸 ， 塑性 变形 是 疲 劳损 伤 的重 要 因 素 ， 但 是 ， 扭 转 的循 环 次数却大 于 拉 压 的循 环 次数 所 以 ， 不 同应 力 状 态蠕 变 和 疲 劳交 互 作 用 的微观 机理 还 有 待 于 进 一步 研 究 疲 劳 寿命方 程 本 文 通 过拉 压 、 扭 转 和拉扭 组 合在 不 同应 变保持 时 间下 的一 系列疲 劳试验 ， 经分 析研 究 得 出多 轴应力 状态在 同一等效 应 变 时 的统一 疲 劳 寿命 方 程 了 ‘ 艺△ 、 、 。 ‘ 艺 一 十 万 － 入 － ‘ ’ ‘ 十 刀 二 － ‘ ， 又刀 。 。 了 式 中的 为在 同一 温 度 、 同一等 效 应 变 的 纯 蠕 变 断 裂 时 间 下 角 表示 等效值 ， 即 。 一 刀二 丑 一 刀刀 。 ’ ‘ ’ 、 一 三 声一 。 ’ 其 中 。 、 及 分 别 为拉 伸 、 扭 转 时蠕 变 疲 劳交互 作 用 系 数 。 、 凡 分 别 为拉 伸 、 扭 转 时 纯 疲 劳 的循环 次数 ， 而 系数 刀 、 需 通 过 一 系列 的疲 劳试验 来确 定 当 一 ， 一 时 ， 则 凡 ， 一 。 ， 一 。 当 。 ， 。 时 ， 则 一 ， 二 一 因此 ， 方 程 是 方 程 的特 例 对于 一 种 工 程 材 料 ， 当已 知 ， 怂 ， 。 ， 和 ， 刀曲线 后 ， 方 程 便 可 用 于 计 算 多 轴应 力 下 构 件 的疲 劳 寿命 结 论 随着 保持 时 间增 加 ， 种 应 力状态 拉压 ， 扭 转 和拉扭 组 合 的疲 劳 寿 命 均 有 所 下 降 拉 压 的蠕 变 疲 劳交 互 作 用 最 强 ， 扭 转 的交 互作 用 最 弱 ， 拉扭组合 的交互作 用 介于 两 者 之 间 ， 且 断 口 的微观形 貌和 宏 观 力 学规律 一 致 提 出 了多 轴应力 下 疲 劳 寿命 的统一 方 程 参 考 文 献 章安 庆等 一 种镍基合金 低周 疲 劳 的交互 作 用 金 属 学 报 ， ， 二 一 杨宜科 等 在蠕 变 疲 劳 复 合 作 用 下 钢 强 度 特 性 的研 究 见 第 二 届 全 国 高 温 强 度 会 议 文 集 ， 青 岛 一 助即 ， 功爪刃 祀 及 肋 幼 界 七 皿 讹 璐 璐 ， ， 氏笼 一 姗 二回 长油详 咏 ， 邵￡ 颐 垃山 即 龙 ， 一