D0I:10.13374/j.is8n1001-053x.2006.05.030 第28卷第5期 北京科技大学学报 Vol.28 No.5 2006年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2006 高温多轴比例与非比例循环加载下疲劳寿命预测 王建国1)刘灵灵2)王连庆)康永林)商德广3) 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)石家庄铁道学院工程力学系，石家庄050043 3)北京工业大学机电学院，北京100022 清要利用薄壁圆管和缺口试样，在MTS809电液伺服材料试验系统上对GH4169合金的高温 多轴疲劳特性进行了实验研究.实验采用对称轴向和扭转应变控制、比例与非比例循环加载，轴向 与扭转应变的相位差分别为0°，45”，90°.通过对薄壁圆管和缺口试样的高温多轴疲劳寿命特性分 析，基于临界面方法提出了一个的多轴疲劳寿命预测模型，在考虑临界面上最大剪应变和正应变 对多轴疲劳损伤贡献的同时，还引入了应力状态对多轴疲劳寿命的影响因素.应用新模型对 GH4169合金高温多轴疲劳寿命进行预测结果表明，该模型对于缺口试样和薄壁圆管的高温多轴 疲劳寿命估算具有较高的准确性. 关键词GH4169合金；寿命预测：高温；多轴疲芳：非比例加载 分类号TG115.5 工程热端零部件在其服役期间所承受的是多 了较为系统的研究方法，提出了许多寿命预测模 轴向循环应力.与单轴应力状态所不同，材料在 型18].由于寿命预测模型的建立大多基于有限 复杂应力状态下的疲劳特性与加载历史密切相 的实验数据，具有一定的局限性.本文利用常温 关.由于受实验条件所限，通过实验方法获得材 多轴疲劳的研究成果，结合临界平面法建立一个 料在多轴循环载荷波形下的力学行为及其疲劳寿 适合于GH4169合金在工作温度下的多轴疲劳损 命是较为困难的.为此人们试图以较为简单、可 伤参量和寿命预测模型 行的多轴循环加载实验结果，找到其与单轴疲劳 1实验材料与方法 的内在关系，进而建立通用的多轴疲劳寿命方程， 对工程材料进行疲劳寿命预测.近十几年，国内 1.1实验材料 外工程技术人员与学者致力于研究和发展多轴疲 实验材料选用GH4169镍基高温合金，其化 劳损伤准则，已经取得了阶段性的研究成果，形成 学成分和常规力学性能分别如表1和表2所示. 表1GH4169合金的主要化学成分（质量分数） Table 1 Chemical compositlon of GH4169 super alloy C Cr Ni Mo Al Ti Nb+Ta B Mn Si P S Cu Mg Co Pb Bi Fe 0.03518.5152.612.990.471.005.260.0040.020.10.0040.0017<0.070.0020.01<0.001<0.0001余 表2GH4169合金的常规力学性能 1.2实验方法 Table 2 Mechanical properties of GH4169 super alloy 试样分别为缺口和薄壁圆管形状.缺口试样 温度/抗拉强屈服强延伸断面收缩弹性模 为标距50mm,直径12mm的光滑圆棒，在其中部 ℃度/MPa度/MPa率/% 率/% 址/GPa 分别加工半径为3mm和5mm圆形缺口，缺口根 20 1270 1030 12 15 203 部试样直径为10mm.对于缺口型试样其应力、 6501005 865 12 15 153 应变分布需采用数值分析的方法来获得，有关缺 口处的应力应变计算方法和计算结果已另文发 表[9-).薄壁圆管试样的尺寸为标距50mm、外 收稿日期：200509-12修回日期：20060407 径16mm,内径12mm. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.10172010) 实验在MTS809电液同服拉-扭疲劳实验机 作者简介：王建国(1958一)，明，高级工程师、博士 上进行，采用三角波对称循环加载.所有实验均第 2 8 卷 第 5 期 2 0 0` 年 s 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n ive sr ity of Sc i e nc e a nd T ec h n o 月l犯 y Be U in g V o l . 2 8 N o . 5 M a y 2 0 0 6 高温多轴比例与非比例循环加载下疲劳寿命预测 王 建 国` ) 刘 灵 灵 2) 王 连 庆 , ) 康永 林 l) 商德 广 3 ) 1 ) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室 . 北 京 10 08 3 2) 石 家庄铁道学院工程力学系 , 石家庄 05 0 43 3 ) 北京工业大学机电学院 . 北京 10 0 0 2 2 摘 要 利用薄壁圆管和缺 口 试样 , 在 M T S 8 09 电液伺服材料试验 系统上对 G 4H 1 69 合金的高温 多轴疲劳特性进行 了实验研 究 实验 采用对称轴 向和扭转应变控制 、 比例与非 比例循环加载 . 轴 向 与扭转应变的相位差分别为 ’0 , 4 ’5 , 9 0’ . 通过对薄壁圆管和缺 口 试样 的高温多轴疲 劳寿命特性分 析 . 基于临界面方法提 出了一个的多轴疲 劳寿命预测模 型 , 在考虑临 界面上最大 剪应变和 正 应变 对多轴疲劳损 伤贡 献 的 同时 , 还 引 入 了应 力 状 态对 多轴 疲 劳寿 命 的影 响 因素 . 应用 新 模 型 对 G 4H 16 9 合金高温多轴疲 劳寿命进 行预测结果 表明 , 该模 型 对于缺 口 试 样和薄壁 圈管的高温 多轴 疲劳寿命估算具有较高的准确性 . 关祖词 G 4H 1 69 合金 ; 寿命预测 ; 高温 ; 多轴疲劳 ; 非 比例加载 分类号 T G 1 1 5 . 5 工 程热端零部件在其服 役期间所承 受的是 多 轴向循 环应 力 . 与单轴应 力 状态 所不 同 , 材料在 复杂应 力状 态 下 的疲 劳特性 与加 载历 史密切 相 关 . 由于受实验条件所限 , 通 过 实 验方 法 获得 材 料在多轴循环载荷波形 下的力学行为及 其疲 劳寿 命是 较 为困 难的 . 为此 人 们试 图 以较 为简单 、 可 行的多轴循环 加 载实验结果 , 找到 其与单轴疲 劳 的内在关 系 , 进而 建立通 用 的多轴疲 劳寿命方程 , 对工 程 材料进行疲 劳寿命预 测 . 近 十几 年 , 国 内 外工 程技 术人员与学者致力于研 究和发展 多轴疲 劳损伤准 则 , 已 经取得 了阶段性 的研 究成果 , 形 成 了较为系统的研 究方 法 , 提 出了 许多寿命预 测模 型 〔`一 由于 寿命预测模型 的建立 大多 基 于有限 的实验 数据 , 具 有一 定的局 限性 . 本文 利用 常温 多轴疲劳的研 究成果 , 结合临界平面 法 建立 一个 适 合于 G H 41 69 合金在工 作温 度下的多轴疲劳损 伤参量和寿命预测 模型 . 1 实验材料与方法 1 · l 实验 材料 实验材料选 用 G H 4 1 69 镍 基 高温 合金 , 其化 学成分和 常规 力学性能分别如表 1 和表 2 所示 . 衰 1 T 自b le l G H 41 ` , 合盘的主要化学成分 l质 t 分橄 ) C恤耐ca l co m侧地 川 o n o f G H 4 16 9 s u eP r a lloy C C r N i M o 川 T I N b + T a B M n S I P 5 C u M g oC P b Bi F e 0 . 0 3 5 18 . 5 1 5 2 . 6 1 2 . 9 9 0 . 4 7 0 0 5 . 2 6 0 . 0 0 4 0 . 0 2 0 0 . 0 0 4 0 . 0 0 1 7 ( 0 . 0 7 0 . 0 0 2 0 . 0 1 < 0 . 0 0 1 < 0 . X() 0 1 余 农 2 G H 41 ` , 合金的常规力学性能 aT b l e 2 Mce h a n ica l p or 衅 d i es o f G H 4 1` 9 s u伴r al loy 温度 / ℃ 抗拉强 度 / M P a 屈服强 度 / M P a 延伸 率 /% 断面收缩 率 /% 弹性模 量 / G P a 1 2 7 0 1 0 0 5 1 0 3 0 12 1 5 2 0 3 8 6 5 12 1 5 15 3 收稿 B 期 : 2 00 5习 9 一 1 2 修回 日期 : 2 0 0 6一 4一 7 荃盆项 目 : 国家 自然科学基金资助项 目( N o . 10 1 7 2 0 10 ) 作者简介 : 王 建国 ( 19 58一 ) , 男 , 高级工 程师 、 博士 1 . 2 实验方法 试 样分别为缺 口 和 薄壁 圆管形状 . 缺 口 试 样 为标距 50 m m , 直径 12 m m 的光滑 圆棒 , 在其中部 分别加工半径为 3 m m 和 s m m 圆形缺 口 , 缺 口 根 部试 样直径 为 10 m m . 对于缺 口 型试 样其应力 、 应变分布需 采用 数值分析的方 法 来获得 , 有关缺 口 处 的应 力 应 变计算方 法 和 计算结果 已 另 文 发 表 [ 9 一 , ’ 」 . 薄壁 圆管试 样 的尺 寸为标距 50 m m 、 外 径 16 m m , 内径 12 m m . 实验 在 M T 8S 09 电液伺 服拉一扭 疲 劳实验 机 上进 行 , 采 用三 角波 对称循环 加 载 . 所 有实 验均 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 05. 030