Vol.28 No.5 王建国等：高温多轴比例与非比例循环加载下疲劳寿命预测 ·449· 在650℃高温环境下进行，控制方式为轴向和剪 3疲劳寿命预测方法的评价 切应变.采用Mises准则下的等效应变幅作为控 制总应变，最大轴向应变与最大剪应变的等效应 3.1最大主应变模型 变比为1，二者之间的相位差分别为0°，45°和 该模型的主导思想是在循环加载过程中疲劳 90°，其加载路径与应变幅值见文献[10]. 裂纹的萌生由剪应变引起，而初始裂纹的形成以 2实验结果 及微裂纹的扩展均是由最大主应变起主导作用. 因此最大主应变是衡量材料多轴疲劳寿命的主要 GH4169合金在650℃多轴比例与非比例循 损伤参址，其寿命预测模型的一般形式为： 环加载下的Von Mises等效应变和最大剪应变与 多轴疲劳寿命的关系分别见图1和图2.由图1 (2N)+e(2N) (1) 和图2可以看出，在相同应变条件下缺口试样的 分别将缺口和薄壁圆管试样危险点处的最大 高温多轴疲劳寿命大于圆管试样的疲劳寿命，多 主应变，以及相同温度条件下该材料的单轴疲劳 轴疲劳断口形貌分析表明：对于缺口试样疲劳裂 参数代入式(1)，其预测结果如图3所示.从图中 纹的形成在缺口根部，并具有较大的裂纹稳定扩 可以看出，该模型对GH4169合金在工作温度下 展区，而圆管试样疲劳裂纹形成在内外两个表 圆管试样的寿命预测结果较好.但对缺口试样的 面，稳定扩展区远远小于瞬间断裂区.弹塑性有 多轴疲劳寿命预测结果较差，最大预测误差达10 限元分析表明，缺口试样的缺口根部处于三维应 倍，且多数预测结果过于保守. 力状态，而圆管试样的断裂区的应力状态接近平 10 面应力状态【1o] 10的 o圆管 ●缺口 10 温度：650℃ 10 9% 波形：三角波 颜率：02Hz 09 oo0月4 102 0o00o° 00 10 102 103 100 10 o圆管 实验寿命/周 ⊙缺口 10 a 44 105 围3最大主应变方法预测多轴疲劳寿命与实验瘦劳寿命的 疲劳寿命/周 比较 田1 Von Mises等效应变与多轴疲劳寿命的关系 Flg.3 Comparlson of multiaxial fatigue life between the experl- Flg.1 Relationship between the multiaxlal fatigue llfe and the mental and the predlcted by maximum princlpal strain method equlvalent strain 3.2 Von Mises等效应变模型 10 将Von Mises等效应变作为控制多轴疲劳损 温度：650℃ 伤的主要参量，并用其来描述材料的多轴疲劳寿 波形：三角波 频率：0.2Hz 命也是一种常用的多轴疲劳寿命估算方法.由于 泊松比在弹性阶段和塑性阶段不同，赵少汴对单 10 occo 0o0o0° 轴疲芳寿命预测模型进行了修正，修正后的棋型 00 表达式为[： 0例管 ●缺口 ea-1+g4(2N)+(1+,e2N) E 010 10 10 103 (2) 被劳寿命/周 式中，。为弹性泊松比，该值可以在实验室实测 围2最大剪应变与多轴疲劳寿命的关系 得到，对于本文实验材料GH4169合金其值近似 Flg.2 Relationship between the multlaxial fatigue life and the maximum shear strain 为0.3；。为塑性泊松比，对于金属材料其值取 0.5. 分别将缺口和薄壁圆管试样危险点处的等效V o l . 2 8 N o . 5 王建 国等 : 高温多轴 比例与非 比例循 环加载 下疲劳寿命预测 在 6 5 0 ℃ 高 温 环境 下进行 , 控 制方式 为轴向和 剪 切应 变 . 采用 M is e s 准则下 的等效应 变幅作为控 制总应 变 , 最大轴向应 变与最大剪应 变的等效应 变比 为 1 , 二 者 之 间的 相位 差 分 别为 o0 , 4 50 和 9 0 ’ , 其加载路径与应变幅值见文献【10 ] . 2 实验结果 G H 41 69 合金在 6 50 ℃ 多轴 比例与非 比例循 环 加载下 的 v on M ise s 等效应 变和 最大剪应 变与 多轴疲 劳寿命 的关 系分 别见 图 1 和 图 2 . 由 图 1 和 图 2 可以看 出 , 在相 同应 变条件下缺 口 试样的 高温 多轴疲 劳寿 命大于 圆管试样的疲 劳寿命 . 多 轴疲 劳断口形 貌 分析表 明 : 对 于 缺 口 试样 疲 劳裂 纹的形 成在缺 口 根 部 , 并具有较大的裂纹稳定扩 展 区 . 而 圆管试 样 疲 劳 裂 纹 形成 在 内外两 个 表 面 , 稳 定扩展 区 远远 小于 瞬间 断裂 区 . 弹塑性 有 限元 分析表明 , 缺 口 试 样的缺 口 根部处 于 三 维应 力状态 , 而 圆管试 样的断 裂区 的应 力状态 接近 平 面 应力状态 [ `“ 〕 . 3 疲劳寿命预测方法的评 价 3 . 1 最大主应变模型 该模型 的主导 思想是 在循环 加载过 程 中疲劳 裂纹的萌生 由剪应变 引起 , 而 初 始裂纹 的形成以 及 微裂纹 的扩展均是 由最 大主 应 变起 主 导 作用 . 因此最 大主应变是衡量材料多轴疲 劳寿命的主要 损伤参量 , 其寿命预 测模型 的一般形式 为 : 。 , m · 、 一 登 ( Z N , , ` + 。 ; ( Z N , , · ( l ) 分别将缺 口 和薄壁 圆管试 样 危险点 处 的最大 主 应变 , 以及 相 同温 度条件下 该材料的单轴疲 劳 参数代入式 ( 1) , 其预 测结果如 图 3 所示 . 从图中 可以看出 , 该模型 对 G H 4 16 9 合 金 在工 作温度下 圆管试样 的寿命预测 结果较好 . 但对缺 口 试样的 多轴疲 劳寿命预 测结果较差 , 最 大预 测误差 达 10 倍 , 且 多数预 测结果过 于保守 . 1护 10 5 0 圆管 . 缺口 温度 : 65 0 ℃ 波形 : 三 角波 频率 : .0 2 H z 0 2 / 2 产 / 厂 O 叹始、胶ù彩早 。 嗦之 。 · ’ “ 2 101 { 哄 衍J 几一姚~ 映 , 1 0 , 10 ` 0 基矛 俐侧澎即芝理 0 圆管 e 缺 口 10 〕 10 4 实验寿命 / 周 10 5 1护 l” 1扩一~ 茸护一~ 翁厂一升方一…翁 , 疲劳寿命 / 周 图 1 v . M . se 等效应变与多 轴疲劳寿命的关系 lF g . 1 R e l . t l此h l p be tw e n t触 m u l ti a x i a 班fa t lg u e Ii fe a n d t触 阅 u l v a len t s t ar i n 图 3 最大 主应变方 法预测 多轴应劳寿命与实 验盛劳寿 命的 比较 F ig . 3 C o m严 r i so n o f m u l t五ax i a l fa t ig业 Ilfe 阅 w e n t h e e x eP 州 · 峨比. t a l a n d t h e )I r ed i e t曰 b y ma x im u m p r l n e l伸1 s t阁 n me th 回 O 吠灯 J 、 _ 产、 ~ _ ,J . J 习 U o 温度 : 6 50 ℃ 波形 : 三角波 频率 : .0 2 H z 3 · 2 V o n M i s e s 等效应 变模型 将 v on M is es 等效应 变作为控制 多轴疲 劳损 伤的主要 参量 , 并用 其来描述 材料的多轴疲 劳寿 命也是 一种常用的多轴疲 劳寿命估算方 法 . 由于 泊松 比在弹性 阶段 和 塑性 阶段 不 同 , 赵少 沛 对单 轴疲 劳寿命预 测 模型 进 行了修 正 , 修正后 的模型 表达 式为 5[] : 俨 俐倒称长崛芝 0 圆管 . 缺 口 · 、 少借 里丛 ( Z N f , “ + “ + 一 , · “ ZN f , f , “ 1 1 犷一一联厂一一峨厂一一协 疲劳寿命 /周 图 2 . 大剪应变与多轴 疲劳寿命的关系 F ig . 2 R e l a t l ous h l P be t w e n t加e m u l ti a x l a l af t i四 e Ilfe 叨 d t h e 皿口口 口m l l l S触 a r s tar l n ( 2 ) 式中 , , 。 为弹性 泊松 比 , 该 值可 以 在 实验 室 实测 得到 , 对 于本文 实 验 材料 G 4H 1 69 合金 其值近 似 为 0 . 3 ; , 。 为 塑 性 泊松 比 , 对 于 金 属 材料其值 取 0 . 5 . 分 别将缺 口 和薄壁 圆管试样 危 险点 处的等效