球形试样热疲劳试验法和T-n-d值

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1992.01.032 北京科技大学学报 第14卷第4期 Vol.14 No.4 1992年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing July 1992 球形试样热疲劳试验法和T-n-d值 冯钧一·李胜华·史孝群 摘要：提出以球形试样来测定材料抵抗热疲劳龟裂能力的试鉴方法，并提出了以上限温 度T,循环次数n,龟裂纹深度作为衡量这种能力的定量的参数。作者在3种不同类型的材料， 13个试样上所进行的试验，初步证明了此试验方法及其定量参数x一一d值的可行性 关键司：骏劳，热我劳，热披劳试验，T一一值。 The Test Method of Thermal Fatigue with Spherical Specimen and T-n-d Values Feng Junyi'Li Shenhua Shi Xiaogun" ABSTRACT:This article gives a method by which the thermal faiigue resistance of engineering materials can be measured through spherial specimen.The pare- meters of upper temperature T,cylc time n and fracture depth d are recommended as the quantitative indexes of measuring the thermal fatigue resistance of engi- neering materials.Three kinds,thirteen specimens were tested using this method and the test result have proved the feasibility of the method, KEY WORD:fatigue,thermal fatigue,thermal fatigue test,T-n-d values 热疲劳破坏是零件遭受反复的加热和冷却，在交变的热应力作用下的破坏。是发动机零 件、铸模、轧辊、化工设备某些部件的主要破坏形式。对热疲劳破坏的机理、影响因素等已 进行了许多研究。也有各种热疲劳的试验方法，但是迄今为止国内外还没有一种统一的方 1991-11-03收稿 ·数学力学系(Department of Mathematics and Mechanics) 490

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 “ 犷 。 。 、 球形试样热疲劳试验法和 一 ， 一 值 冯钧一 ’ 李胜华 ’ 史孝群 摘 要 提出以 球形试样来测定材料抵抗 热疲劳龟裂能力的试验方法 ，并提出 了以上限温 度 ，循环次数 。 ，龟裂纹深 度 作为衡量这种 能力的定量的参数 。 作者在 种不 同类型 的材料 ， 个 试样上 所进行 的试验 ，初步证明 了此试验方法 及 其定量参数 一 一 值 的可行性 关键词 疲劳 ，热疲劳 ，热疲劳试验 ， 一 二 一 值 。 一 一 “ 才 “ 拄 犷 五 扭 。 ， ， 让 ， ， ， 一 一 七 热疲劳破坏是零件遭受反复的加热和冷却 ， 在 交变的 热应力作 用下的破坏 。 是发 动机 零 件 、 铸模 、 轧辊 、 化工设备某些部件的主要破坏 形式 。 对热疲劳破坏的机理 、 影响因素等已 进行 了许多研究 。 也有各种热疲劳的试验方法 ， 但 是迄今为止国 内外还没 有 一 种 统一的 方 里 ， 一 一 收稿 ， 数学力学系 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．04．032

法，因此各种热疲劳试验的结果无法对比。概括起来，国内外的热疲劳试验方法有几类： (1)实物型的热疲劳试验1,3)试验结果仅作为定性对比的参考。 (2)Coffir型热疲劳试验r2)可以进行应力应变的定量分析，并可以研究应力应变和寿 命的定量关系。 (3)热一机械疲劳迭加型1,8)热应力迭加机械应力，构成两种不同大小、不同相位 的应力组合。 (4)热应力疲劳型利用试样本身的约束造成热应力疲劳破坏：4,8？。 (5)Uddeholm法它以一组标谁的龟裂的图相，区分热疲劳龟裂破坏的级别ra,7)。 国内外对热疲劳性能试验方法不能统一，其根本原因：于现有的各种方法都有较明显的 缺点。上述各种试验方法中，(1)试验费用大，也不能表示材料的性能，只能作对比分析。 (2),(3)试验是由外部约束造成的热应力疲劳，它和内约束造成的热疲劳破坏有区别。 (2)、(3)、(4)都以试样断裂或以主裂纹的长度作为热疲劳寿命的计算依据。它们不能反映 大量存在的零件热疲劳龟裂的破坏形式。(5)试验方法能体现龟裂破坏的特点，但它只能作 对比，不能定量说明材料的性能。 作者研究了两维应力下材料的热疲劳破坏〔。)，得出结论：当材料受到二维热应力反复作 用时，若01≈02，或塑性应变量1p≈e2p时会产生近于矩形的龟裂。若01≥1.502，或 ￡1。≥42，时，就会出现线型裂纹。作者根据此研究结果，拟定出一种新的热疲劳试验方法 和试样，它使试样表面产生均匀的龟裂，并且可以定量的表示材料对疲芳龟裂破坏的抵抗能 力。 1试验方法和试样 作者设计了一种球形试样如图1。试样上部带有螺孔的圆柱体，是为了用一长杆支持圆 球，以便于加热和冷却时操作方便，也是为了便于试样的加工。本试验法使上述球形试样受 到均匀的加热，然后快速冷却，就可以在试样的表面形成均匀的热应力、热应变场。并且 有： 01=02E1p=E2p 这样在交变的热应力作用下会产生均匀的表面龟裂。 试验的基本要求是：首先把试样加热到预定温度，并使试样内部温度达到均匀。然后使 试样快速冷却，并要求表面上每一点的冷却速度一致。然后再加热，再冷却，如此反复进 行。 在试验中使用管式电阻丝加热炉，使试样均匀地达到预定的温度。为了使试样表面快递 而均匀地冷却，试用了3种冷却方式： (A):加热后的试样用图2的装置，在4个方向喷雾冷却。一个喷雾器放置于球的顶 端，另外3个喷雾器放置在I-I平面内，互成120°角。 (B):用同样的装置，但不是用喷雾来冷却，而是用喷水来冷却。 (C):加热后的试样放人水中，并进行无规则的搅动，以使球的冷却均匀。 对3种不同的材料：铸铁，T8钢（普通工具钢）、3Cr2W8V钢（合金工具钢）13个试 491

法 ， 因此各种热疲劳试验的结果无 法对比 。 概括起来 ， 国内外的热疲 劳试 验 方法有几类 实物型的热疲劳试验 〔 ‘ ’ “ ’ 试验结果仅作为定性对 比的参 考 。 型 热疲劳试验 〔 “ ’ 可 以进行应力应变的定量分析 ， 并 可以 研 究应 力应变和寿 命的定量关系 。 热－ 机 械疲劳迭 加型 〔 ‘ ’ “ ’ 热应力迭 加机 械 应力 ， 构成 两种 不 同大小 、 不 同相位 的应力组合 。 〔 热应力疲劳型 利用试样本身的约束造成 热应 力疲 劳破坏 〔 ’ 〕 。 法 它 以一组标准 的龟裂的图相 ， 区分 热 疲 劳 龟 裂破坏的 级别 〔 “ ’ ’ 。 国内外对热疲劳性能试验方法不能统一 ， 其根本原因在于现有的各种 方法都有较 明显 的 缺点 。 上述各种试验方法 中 ， 试验费用大 ， 也不能表示材 料 的性能 ， 只 能作对 比分析 。 〕 ， 试验是 由外部约束造成的 热应 力疲 劳 ， 它和 内 约 束 造 成 的热疲劳破坏 有 区 别 。 、 、 都以试样断 裂或 以主裂纹的 长度作为热疲劳寿命 的 计算依据 。 它们不能反 映 大量存在 的零件热疲劳龟裂 的破坏 形式 。 试 验 方法能体现龟 裂 破 坏 的 特点 ， 但它 只 能 作 对 比 ， 不能定量说 明材料的性能 。 作者研 究 了两维应力下材料的 热疲劳破坏 〔 “ ’ ， 得 出结论 当材料受到二维热应力反复作 用 时 ， 若 『， 、 叮 ， 或塑 性 应 变 量 “ ， 、 。 ， 时 会 产生近于矩形 的龟裂 。 若， 工 。 ， ， 或 ， ， “ 时 ， 就会出现线型 裂纹 。 作 者根据此研究结果 ， 拟定 出一种新的 热 疲劳试验方法 和试样 ， 它 使试样表面产生均匀的龟裂 ， 并且 可以 定量的表示材料对 疲 劳龟裂破坏 的抵抗 能 力 。 试验方法和试样 作者 设计 了一种球形试 样如图 。 试样 上部带有螺 孔的 圆柱体 ， 是为 了 用 一长杆支持 圆 球 ， 以便于加热和 冷却时操 作方便 ， 也是为 了便于试样 的加工 。 本试 验 法使上述 球形试样 受 到 均匀的加 热 ， 然后快速冷却 ， 就可以在试样的 表面形成均匀 的 热 应 力 、 热应变场 。 并且 有 么 君 ￡ 这样在 交变的热应 力作用下会产生均匀的 表面龟 裂 。 试验的基本要求是 首先把试样加热到 预定温度 ， 并使试样 内部温度达到 均匀 。 然后使 试样快速冷却 ， 并要求 表面上每一点的冷却速度一致 。 然后再加热 ， 再冷 却 ， 如此 反 复 进 行 。 在试验 中使用管式 电阻丝加 热炉 ， 使试样 均匀地达到 预定 的温度 。 为 了使试样表面快 速 而均匀地冷却 ， 试 用 了 种冷却方式 加热后 的试样 用图 的装置 ， 在 个方向喷 雾 冷却 。 一个喷雾 器 放 置 于 球的顶 端 ， 另外 个喷 雾器放置在 一 平面内 ， 互成 “ 角 。 用 同样的装置 ， 但不是用喷雾来冷却 ， 而是 用喷 水 来 冷却 。 加热后 的试样放入水 中 ， 并进行无规则的搅 动 ， 以使球的 冷却均 匀 。 对 种不 同的材料 铸铁 ， 钢 普 通工具 钢 、 钢 合 金 工 具 钢 个试

I-1 120 30 120 图1球形试样 Fig.1 Spherical specimen 表113个试样的分布 Table 1 Distrbution of 13 specimens 试验 冷却方式 条件 A B 3Cr2W8V △ ×△ T8 ××△ 铸铁 △△ △ △△ 图2冷却装置 Fg.2 Cooling devies 图3表面龟裂照片 (a)3Cr2W8V钢 (b)货铁 (c)T8钢 Fig.3 Surface heat checking photographs 样，用A、B、C3种冷却方式分别进行了热疲劳试验。试验加热的温度分别为(650~750)℃， 快速冷却到150℃左右。经过100~450次热应力循环，（对铸铁试样为100次）在10个试样表 面出现了均匀的龟裂。（见表1），有3个试样未出现龟裂（表1中有×号者）。其中一个试样 (材料为3Cr2W8V)加热后放在水中冷却，冷却时未作搅动，水有向上的流动，因此冷却不 492

生下 一 表 图 球 形 试 样 个试样 的分布 私△酗 铸 铁 △ △ △ △ △ △ 图 冷 却装 置 图 表面 龟裂照 片 钢 铸 铁 钢 样 ， 用 、 、 种冷却方式 分别 进行 了热疲 劳试 验 。 试验加 热的温度分别 为 一 ℃ ， 快速冷却到 ℃ 左 右 。 经过 一 次 热应力循环 ， 对 铸 铁试样 为 次 在 个试 样 表 面出现 了均 匀的龟裂 。 见 表 ， 有 个试样未 出现龟 裂 表 中有 号者 。 其 中一个试样 材料为 加 热后放在 水 中冷 却 ， 冷却时未 作搅 动 ， 水有向上 的流 动 ， 因此 冷却不

均匀，在热应力疲劳300次以后，出现明显的在水流方向的线型裂纹，而没有出现龟裂。另 有两个试样（材料为T8钢）在热应力循环450次以后未出现任何有裂纹的迹象。经研究发现此 两个试样是加热到750℃后在喷雾冷却条件下进行的。而T8钢的再结晶温度为730℃。试样 加热超过材料的再结晶温度以后，以前造成的疲劳损伤将会消除，因而虽经多次热疲劳而没 有发生热疲劳破坏。以后又用另外两个T8钢试样，加热到650℃，同样是喷雾冷却，在400 次热循环以后，出现了很均匀的表面龟裂。 铸铁、T8钢、3Cr2W8V钢3种材料在热疲劳后产生的表面龟裂的照片见图3。 对3种材料进行的热疲劳试验的结果表明：在我们设计的球形试样上，只要试样在加热 到预定温度后，能够均匀而快速地冷却，就能在试样表面得到较为理想的均匀龟裂场。因此， 用球形试样来反映材料的热疲劳龟裂破坏是可行的。 2热疲劳性能的定量表示 在试样上得到一个龟裂场以后，为了定量地表示材料抵抗热疲劳龟裂的能力，我们建 议用3个量来表示：T一n一d。 T(℃)一加热温度也就是零部件的工作温度。显然在不同温度下进行热疲劳试验表 现出的性能是不一样的。T值表示了材料的工作条件，应该在T值相同的条件下，比较n值和 d值才是有意义的。 一一热疲劳次数使球形试样产生眼睛可见的龟裂纹所需要的热疲劳次数。对塑性材 料来说，每进行100次热疲劳观察一次试样表面。对铸铁这样的脆性材料需要每50次热疲劳 观察一次。由于龟裂形成到一定程度以后，龟裂消除了应力，龟裂的情况就稳定了(8)。因此 判断龟裂发生的循环次数误差不会太大。显然值愈大，材料抵抗热疲劳龟裂的性能愈 好。 (mm)一裂纹深度试验进行到眼晴可以见到试验表面的龟裂以后，取出试样。在 试样端部的下半球面上切削出5个直径为10~12mm的平面。其中一个在球的端部，其余4个 平面均匀分布在半球的其余表面，这些平面经过抛光后在显微镜下，可以清晰地看到裂纹向 内部延伸的情况（图4）。每个平面都可以用显微镜测出最深的裂纹的顶部到球表面的距 图4裂纹向内部延伸的情况 图5di的确定 Fig.4 State of fractures streching in Fig.5 Determination of di 493

一 均 匀 ， 在 热应力疲劳 次 以后 ， 出现 明显 的在水流 方向的 线 型裂 纹 ， 而 没 有出现龟裂 。 另 有两个试样 材料为 钢 在 热应力循 环 次 以后未 出现 任 何有裂纹的迹 象 。 经研究发 现此 两个试样是加热到 ℃ 后在喷雾冷却条 件下进 行的 。 而 钢的再结 晶温度 为 ℃ 。 试样 加热超过 材料的 再结 晶温度 以后 ， 以前 造 成的疲劳损伤将会消除 ， 因而 虽经 多次 热疲劳而没 有发 生热疲劳破坏 。 以后又 用 另外 两个 钢试 样 ， 加 热 到 ℃ ， 同样 是喷 雾冷却 ， 在 次热循 环 以后 ， 出现 了很 均 匀的 表面龟 裂 。 铸铁 、 钢 、 钢 种材料在 热疲劳后产生的 表面龟 裂 的 照片见 图 。 对 种材料进行 的 热疲劳试 验 的结果 表 明 在我 们设 计的球形试 样 上 ， 只 要 试 样在加 热 到 预定温度后 ， 能够均 匀而快速地 冷却 ， 就 能在试样表面得到 较为理 想的均 匀龟 裂场 。 因此 ， 用球 形试样来反 映材料的热疲劳龟 裂破坏 是可行的 。 热疲劳性能的定量表示 在试样 上得到 一个龟裂场 以后 ， 为 了定量地 表示材料抵抗 热疲 劳龟 裂 的 能 力 ， 我 们建 议 用 个量来表示 一 。 一 。 ℃ － 加 热温度 也就是零部件的工作温度 。 显然 在不 同温度下进行 热疲劳试 验 表 现 出的性 能是不一样的 。 值 表示 了材料的工作条 件 ， 应该在 值相 同的条 件下 ， 比较 ” 值和 值 才是 有意义 的 。 ” － 热疲 劳次数 使球形试 样产生眼睛 可见 的龟裂纹所需要的热疲 劳 次 数 。 对 塑性材 料来说 ， 每进行 次 热疲 劳观 察一次试样表面 。 对铸铁这样的 脆性材料需要每 次 热疲劳 观察一次 。 由于龟裂 形成到 一定 程度 以后 ， 龟裂消除了应力 ， 龟裂的情况就稳定 了 〔 “ 〕 。 因此 判 断 龟裂发 生 的循 环 次数误差不会太 大 。 显然 。 值 愈大 ， 材料 抵 抗 热 疲 劳 龟 裂 的 性 能 愈 好 。 － 裂纹 深度 试 验进行到 眼 睛可以见到 试 验表面的龟裂 以后 ， 取 出 试 样 。 在 试样 端部的 下半球 面上切 削 出 个直径 为 一 的平面 。 其中一个在 球 的 端部 ， 其余 个 平面均 匀分布在半球的 其余表面 ， 这些 平面经过 抛光后在显微 镜下 ， 可 以清 晰地看到 裂纹 向 内部延伸的情况 图 。 每个平面都可以 用显微镜测 出最深的裂纹 的顶部到球 表 面 咦的 距 图 裂纹 向内部延 伸 的情况 图 的确定

离d:(图5)。取5个平面中所有裂纹的d:的最大值作为表征值d d=(d)max d值将在n值的基础上进一步表示材料对热疲劳龟裂的抗力。显然值不一定是真正的最大裂 纹深度，但它能在很大程度上反映裂纹向试样内部发展的情况。在同样的T、n值情况下愈 小表示材料抗抵热疲劳龟纹的性能愈好。 表2显示了铸铁、T8钢，3Cr2W8V3种材料各一个试样在5个平面上测出的d,值和确 定的d值。 表23个试样上的d值 Table 2 Values d of 3 specimens 8个平面上的d:值(mm) d (mm) 转 铁 1.89, 2.14, 2,20, 1.54, 2.72 2,72 T8 0.43, 0.20, 0.18, 0.30, 0,31 0,43 3Cr2W8V 0.64.0.32, 0,58, 0.45, 0.54 0.64 由此可以确定出3个试样的T-n-d值为： 对铸铁为750一100一2.72 对T8钢为650一400一0.43 对3Cr2W8V为750-300一0.64 了T-n-d值的试验条件 本试验用3种冷却方式都可以使试样得到均匀的表面龟裂。显然(A)方式冷却速度最慢， (C)方式冷却速度最快。冷却速度快可以使试样表面得到较大的塑性应变值，能较早地出现 龟裂，因而减少试验次数。但(C)方式难以控制冷却速度，难以保证各种试验在同样的冷却 条件下进行而使试验数据具有可比性。作者认为以(B)方式作为热疲劳试验的冷却方式较 好。只要做到下述两点就能使T一n一d值具有可比性： (1)喷水冷却装置喷头的设计相同，喷头到试样的距离相同。 (2)冷却水的压力和温度相同。 要做到这两者并不难，当然还要经过大量的试验研究才能确定试验装置的合理结构和尺 寸。但是可以预料在确定了这些试验条件后就能使T-n-值的试验数据具有可比性。 4结 论 (1)提出了评定材料热疲劳龟裂抗力的试验方法，试验装置和试样。在3种材料上证明 试验方法是可行的。 (2)提出了表示材料热疲劳龟裂抗力性能的指标。 494

离 图 。 取 个平面中所有裂纹的 的最大值作为表征值 。 二 值将在 值的基础 上进一步表示材料对热疲劳龟裂的抗力 。 显然 值不一定是真正的 最大裂 纹深度 ， 但它 能在很大程度上反映裂纹向试样 内部发展 的情况 。 在同样 的 、 ” 值情况下 愈 小表示材料抗抵热疲劳龟纹 的性能愈好 。 表 显示 了铸铁 、 钢 ， 种材料各一个试样在 个平面上侧 出的 ， 值和确 定的 值 。 表 个试样 上的 值 个平面上 的 值 铸 铁 。 ， 。 。 ， 。 片口 曰，占 。 ， 。 。 ， 。 。 ， 。 ， 。 ， 。 ， 。 由此可以确 定 出 个试样的 一 一 值为 对铸铁为 一 一 。 对 钢为 一 一 对 为 一 一 一 一 值的试验条件 本试验用 种冷却方式都可以 使试样得到 均匀的表面龟裂 。 显然 方式冷却速度最慢 ， 方式冷却速度 最快 。 冷却速度快可以使试样表面得到 较大的塑性应变值 ， 能 较早地 出现 龟裂 ， 因而减少试验次数 。 但 方式难以控制冷却速度 ， 难以保证各种试验在 同样的冷却 条件下进行而使试验数据具有可 比性 。 作者 认为以 方式作为热疲劳试 验 的 冷 却 方式较 好 。 只 要做到 下述两点就能使 一 。 一 值具有可 比性 喷水冷却装置喷头 的设 计相 同 ， 喷头到试样的距离相 同 。 冷却水 的 压力和温度相 同 。 要做到 这 两者并 不难 ， 当然还要经过大量的试验研究才 能确定试验装置的 合理 结构和尺 寸 。 但 是可以预料在确定 了这些试验条 件后就能使 一 。 一 值 的试验数据具 有可 比性 。 结 论 提 出 了评 定材料 热疲 劳龟裂抗 力的试验方法 ， 试验装置和试样 。 在 种材料上证明 试验方法是可行的 。 提 出了表 示材料热疲 劳龟裂抗 力性能的指标

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参 考 文 献 何 晋瑞 金属 的高温疲劳 ， 科 学 出版社 ， 。 。 。 ， ， ， 一 李 键 物理测试 ， 盖勒 约 工具钢 国防 出版社 ， ， ， 一 一 一 一 ， 平修二 。 金属材料的高温强度 科学出版社 ， 冯 钧一。 。 ， 匀