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     金屬構(gòu)件在高溫使用過程中有可能同時(shí)受到蠕變損傷和疲勞損傷。這兩種損傷的交互作用可以使材料的蠕變性能和疲勞性能急劇惡化。在航空、核電等機(jī)械工程領(lǐng)域，這種蠕變-疲勞交互作用廣泛存在，有必要對(duì)其交互作用進(jìn)行研究。國內(nèi)企業(yè)、高校和科研院所對(duì)蠕變-疲勞交互作用進(jìn)行了大量試驗(yàn)，因此有必要制定國家層面的標(biāo)準(zhǔn)，為這些試驗(yàn)提供指導(dǎo)和參考。

 

     中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所依托中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)未來先進(jìn)裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)，開展了大量鎳基合金蠕變-疲勞試驗(yàn)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。在對(duì)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，向全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（鋼標(biāo)委）力學(xué)分委會(huì)提出制定《金屬材料 蠕變-疲勞試驗(yàn)方法》國家標(biāo)準(zhǔn)的建議。該建議很快獲得了鋼標(biāo)委的支持，并上報(bào)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)（國標(biāo)委）。國標(biāo)委同意了該標(biāo)準(zhǔn)制定的立項(xiàng)。

 

     立項(xiàng)后，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所作為主持單位，聯(lián)合華東理工大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所、上海發(fā)電成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司、冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院、上海海關(guān)工業(yè)品與原材料檢測技術(shù)中心、上海交通大學(xué)、上海航空材料結(jié)構(gòu)檢測股份有限公司共同組成項(xiàng)目起草小組，標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)起草、征求意見、開展比對(duì)試驗(yàn)、送審、報(bào)批等環(huán)節(jié)，最終于2020年6月由國標(biāo)委發(fā)布，2020年12月實(shí)施。

 

1、蠕變-疲勞試驗(yàn)的應(yīng)用背景

 

     陳立佳等在816，927℃下進(jìn)行總應(yīng)變控制的不同拉伸應(yīng)變保持時(shí)間的低周疲勞試驗(yàn)，研究了3種高溫合金（HAYNES 188，HAYNES 230和HASTELLOY X）的蠕變-疲勞交互作用行為，得出在存在蠕變的情況下，這3種高溫合金的應(yīng)變疲勞壽命均出現(xiàn)縮短現(xiàn)象。何明輝等利用高頻感應(yīng)加熱的方法對(duì)DD6單晶合金的高溫蠕變/疲勞損傷性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)DD6單晶合金的高溫蠕變/疲勞性能存在明顯的方向性，同時(shí)在高溫條件下，蠕變損傷對(duì)試件破壞起重要作用，蠕變與疲勞的交互作用會(huì)大大縮短材料的循環(huán)壽命。毛雪平等則對(duì)30Cr1Mo1V鋼轉(zhuǎn)子蠕變-疲勞交互作用下的應(yīng)力松弛現(xiàn)象及應(yīng)變-壽命規(guī)律進(jìn)行了研究。大量的研究表明，蠕變對(duì)材料的疲勞壽命有巨大影響。

 

     在美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)編制的《核設(shè)施設(shè)計(jì)建造規(guī)則 高溫力學(xué)分卷》中，給出了304和316不銹鋼、800H鋼、9Cr1MoV鋼的評(píng)定蠕變-疲勞損傷的包絡(luò)線。蠕變-疲勞交互作用使得304和316不銹鋼的許用疲勞壽命較不存在蠕變的情況縮短達(dá)到70%，而鎳基合金800H鋼在存在蠕變的情況下，其許用疲勞壽命縮短了80%。開展蠕變-疲勞試驗(yàn)是獲得蠕變-疲勞包絡(luò)線的必要手段。

 

2、不同標(biāo)準(zhǔn)體系概況

 

     目前，國際、國內(nèi)專門針對(duì)金屬材料蠕變-疲勞試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，一個(gè)是美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)制定的ASTM E2714-13《蠕變疲勞試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，另一個(gè)就是我國制定的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38822—2020《金屬材料 蠕變-疲勞試驗(yàn)方法》。

 

2.1 美國標(biāo)準(zhǔn)

 

     標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2714-13由美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)組織編寫和制定。該協(xié)會(huì)總結(jié)了歐美國家蠕變-疲勞試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，并組織了數(shù)次研討會(huì)。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)于2009年和2010年先后發(fā)布了兩個(gè)版本的蠕變-疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：第一個(gè)版本為ASTM E2714-09，涉及表征蠕變-疲勞裂紋形成的測試方法特性；而第二個(gè)版本ASTM E 2714-10則涵蓋了蠕變疲勞裂紋生長特性。2010年11月，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)組織了專門針對(duì)蠕變-疲勞試驗(yàn)的國際研討會(huì)。該研討會(huì)也是國際斷裂大會(huì)（ICF）的討論會(huì)，討論了蠕變疲勞裂紋形成領(lǐng)域的最新研究、高溫材料和結(jié)構(gòu)中的裂紋擴(kuò)展。研討會(huì)發(fā)布了技術(shù)?？⊿TP）。在總結(jié)研討會(huì)技術(shù)成果以及ASTM E 2714-09、ASTM E 2714-10應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上，制定了ASTM E2714-13，該標(biāo)準(zhǔn)由引言、參考文件、術(shù)語和定義、應(yīng)用及意義、方程關(guān)系、設(shè)備、試驗(yàn)試樣、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)記錄、試驗(yàn)報(bào)告、結(jié)果及偏差等部分組成。

 

2.2 中國標(biāo)準(zhǔn)

 

     標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38822—2020由中國標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布，由全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)歸口，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所牽頭起草。GB/T 38822—2020包括引言、范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、符號(hào)和說明、試驗(yàn)原理、設(shè)備、試樣、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)報(bào)告和參考性附錄等部分。與美國標(biāo)準(zhǔn)相比，中國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣的加工過程進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，因?yàn)樵嚇蛹庸み^程對(duì)試樣表面的粗糙度和殘余應(yīng)力都有影響。同時(shí)，將試樣加工精度與試樣直徑相關(guān)聯(lián)，使同軸度與GB/T 2039—2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》的規(guī)定一致。

 

3、GB/T 38822— 2020的主要技術(shù)要點(diǎn)

 

3.1術(shù)語和符號(hào)

 

     針對(duì)蠕變-疲勞試驗(yàn)的特點(diǎn)，定義了以下術(shù)語。

 

    （1）保載時(shí)間。蠕變-疲勞試驗(yàn)中，試驗(yàn)控制變量（應(yīng)力、應(yīng)變）在一個(gè)循環(huán)中保持不變的時(shí)間為保載時(shí)間。保載時(shí)間通常位于拉伸和（或）壓縮的應(yīng)力或應(yīng)變峰值處，但也可位于循環(huán)內(nèi)的其他位置。

 

    （2）循環(huán)周期。完成一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)的時(shí)間為循環(huán)周期。參數(shù)τt可分為保載（τh）和非保載（τnh）（即穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)）分量，其中總周期時(shí)間是保載時(shí)間和非保載時(shí)間之和。

 

    （3）裂紋形成。當(dāng)裂紋在試樣中萌生并擴(kuò)展時(shí)，裂紋已經(jīng)形成。

 

    （4）應(yīng)力范圍。最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之間的差值為應(yīng)力范圍。對(duì)于蠕變-疲勞試驗(yàn)，最大和最小應(yīng)力之間的差值稱為“峰值應(yīng)力范圍”。對(duì)于應(yīng)變控制下的蠕變-疲勞試驗(yàn)，保載時(shí)間前后應(yīng)力下降的范圍稱為“松弛應(yīng)力范圍”。

 

    （5）非彈性應(yīng)變范圍。在循環(huán)期間的塑性應(yīng)變范圍和保載時(shí)間內(nèi)，蠕變應(yīng)變范圍的總和為非彈性應(yīng)變范圍，其指的是在拉伸和壓縮卸載過程中，應(yīng)變軸交叉點(diǎn)與滯后回線的外推線性區(qū)域在應(yīng)變軸上的距離。

 

3.2 試驗(yàn)原理

 

     為幫助標(biāo)準(zhǔn)的使用者理解和正確運(yùn)用本標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)結(jié)果，編寫了試驗(yàn)原理。蠕變-疲勞試驗(yàn)一般在高溫下進(jìn)行，此時(shí)材料本身往往同時(shí)存在蠕變損傷和疲勞損傷。對(duì)于大部分材料來說，氧化會(huì)對(duì)裂紋的萌生和擴(kuò)展產(chǎn)生影響。為了獲得蠕變導(dǎo)致疲勞性能下降的數(shù)據(jù)以及疲勞導(dǎo)致持久壽命縮短的數(shù)據(jù)，建議開展相應(yīng)的疲勞試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn)。附錄1 給出了常用的描述蠕變-疲勞數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式。

 

3.3試驗(yàn)設(shè)備

 

     試驗(yàn)設(shè)備是保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性的重要保障。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的類型、功能和精度以及部分使用方法進(jìn)行了規(guī)定。主要包括以下內(nèi)容：① 試驗(yàn)機(jī)應(yīng)滿足GB/T 16825.1—2022《金屬材料 靜力單軸試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn) 第1 部分：拉力和（或）壓力試驗(yàn)機(jī) 測力系統(tǒng)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》的要求。試驗(yàn)機(jī)能夠平穩(wěn)啟動(dòng)，且保證過零點(diǎn)時(shí)不發(fā)生回彈。試驗(yàn)機(jī)必須具有足夠的側(cè)向剛度，確保在壓縮期間能保持精確對(duì)中。試驗(yàn)機(jī)的控制精度應(yīng)在其控制變量變化區(qū)間的1% 以內(nèi)。②傳感器應(yīng)依據(jù)GB/T 16825.1—2022、GB/T 25917.1—2019《單軸疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)　第1 部分：動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)》、GB/T 12160—2019《金屬材料 單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)系統(tǒng)的標(biāo)定》進(jìn)行驗(yàn)證，其精度必須優(yōu)于分度值的1%，并且能夠進(jìn)行溫度補(bǔ)償，靈敏度變化不超過滿量程的0.002%。③夾具應(yīng)具有足夠好的對(duì)中性，并應(yīng)進(jìn)行同軸度核查；對(duì)夾持試樣的方式進(jìn)行了規(guī)定。④ 引伸計(jì)應(yīng)適用于長期測量動(dòng)態(tài)位移，并且最大程度降低信號(hào)漂移、滑移和機(jī)械滯后。應(yīng)根據(jù)GB/T 12160—2019進(jìn)行校準(zhǔn)，且其精度應(yīng)在1級(jí)或更高精度等級(jí)。除特殊情況外，應(yīng)盡量采用軸向引伸計(jì)。⑤加熱系統(tǒng)可選用的加熱方式包括電阻爐加熱、輻射加熱、感應(yīng)加熱以及惰性氣體或液體加熱。⑥建議采用熱電偶直接測量標(biāo)距段的溫度。⑦循環(huán)計(jì)數(shù)器應(yīng)能記錄至少10萬個(gè)周期的試驗(yàn)。⑧數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)能同時(shí)收集并處理作為時(shí)間和周期函數(shù)的力、位移和溫度的數(shù)據(jù)。⑨加載系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行同軸度校準(zhǔn)，試驗(yàn)溫度也應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

 

3.4試樣

 

     試樣的形狀尺寸和精度對(duì)蠕變-疲勞試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，因此對(duì)試樣的幾何尺寸進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)定（見圖1）。這些規(guī)定可以對(duì)不同實(shí)驗(yàn)室、不同試驗(yàn)批次之間的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。對(duì)于等截面圓柱試樣，其標(biāo)距段直徑應(yīng)不小于5mm，標(biāo)距段長度應(yīng)大于1.5倍標(biāo)距段直徑，過渡圓弧半徑以及夾持端直徑應(yīng)大于兩倍試樣的直徑。進(jìn)行以上規(guī)定的目的在于符合試樣在過渡圓弧處以及夾持端失效的可能性，標(biāo)準(zhǔn)建議了標(biāo)距段的長度范圍，這樣能有效減小試樣斷裂于引伸計(jì)跨距外的概率，減小失穩(wěn)的概率，對(duì)試樣同軸度、平行度以及垂直度的規(guī)定可以減小試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性，提高試驗(yàn)方法的精度，同時(shí)也使加工精度與試樣尺寸相匹配；對(duì)于其他形狀試樣的規(guī)定能滿足特殊試驗(yàn)的要求，因?yàn)樵谝恍┣闆r下，需要測試高應(yīng)變范圍條件下的蠕變-疲勞性能，這時(shí)采用圓柱試樣容易失穩(wěn)。

 

     對(duì)試樣的加工方法進(jìn)行了規(guī)定，給試樣打上特定的標(biāo)識(shí)，將數(shù)據(jù)與試樣相對(duì)應(yīng)，以便之后的進(jìn)一步分析。試樣表面粗糙度規(guī)定應(yīng)小于0.2，且不應(yīng)存在垂直加載軸的加工痕跡（可利用光學(xué)顯微鏡20 倍觀察），以減小試樣由于較差表面質(zhì)量導(dǎo)致裂紋形成的可能性。

 

3.5試驗(yàn)步驟

 

     對(duì)試驗(yàn)步驟進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，不同操作人員以及不同實(shí)驗(yàn)室遵循相同的試驗(yàn)步驟，可降低試驗(yàn)結(jié)果的不確定度，提高準(zhǔn)確性。

 

    （1）規(guī)定試樣的安裝，不可影響組件的對(duì)中性以及試樣的表面狀況。

 

    （2）對(duì)引伸計(jì)的安裝進(jìn)行規(guī)定，以避免打滑以及影響試樣的表面質(zhì)量。

 

    （3）規(guī)定了可選用的循環(huán)波形，以供不同的客戶依據(jù)自身需求進(jìn)行選擇。

 

    （4）規(guī)定了測量彈性模量、熱膨脹的方法，這是開展蠕變-疲勞試驗(yàn)所必需的數(shù)據(jù)。

 

    （5）規(guī)定了引伸計(jì)標(biāo)距進(jìn)行修正的方法，這有助于提高試驗(yàn)的精度和準(zhǔn)確性。

 

    （6）規(guī)定了試樣的加熱方法，以確保試樣各部分均達(dá)到指定溫度。

 

    （7）規(guī)定了試驗(yàn)加載的方式，以便不同的試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間能夠進(jìn)行比較。

 

    （8）重點(diǎn)規(guī)定了對(duì)溫度的控制，因?yàn)闇囟葧?huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生巨大影響。

 

3.6試驗(yàn)報(bào)告

 

     列出了完整的試驗(yàn)報(bào)告所能提供的信息，這些信息有一部分是必需的，這些內(nèi)容是完整描述一個(gè)蠕變-疲勞試驗(yàn)所需要的內(nèi)容，包括試驗(yàn)的條件、試驗(yàn)的重要結(jié)果，以及試驗(yàn)過程中偏離標(biāo)準(zhǔn)的變量；另一部分內(nèi)容則可視為非必需的，可以根據(jù)客戶的需求列進(jìn)試驗(yàn)報(bào)告中。以上兩部分內(nèi)容都在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了規(guī)定。

 

4、試驗(yàn)驗(yàn)證

 

     為了檢驗(yàn)GB/T 38822—2020試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的可行性，獲得結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)草案，開展了316H不銹鋼蠕變-疲勞試驗(yàn)和Ti6242鈦合金蠕變-疲勞試驗(yàn)。

 

4.1316H不銹鋼蠕變-疲勞試驗(yàn)

 

     試驗(yàn)選用316H不銹鋼作為試驗(yàn)材料，316H不銹鋼為高碳合金鋼，其常用于高溫力學(xué)結(jié)構(gòu)。按圖2進(jìn)行試樣加工，圖3為316H不銹鋼蠕變-疲勞試樣外觀。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制，應(yīng)變范圍為1.0%，應(yīng)變速率為0.001s−1，試驗(yàn)溫度為500℃。試驗(yàn)過程完全按照GB/T 38822—2020標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)過程中沒有發(fā)生偏離方法的情況。試驗(yàn)結(jié)束后盡快停止加熱，以避免斷口過度氧化。蠕變-疲勞試驗(yàn)結(jié)束后的316H不銹鋼試樣外觀如圖4所示。316H不銹鋼的蠕變-疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

 

 

     試驗(yàn)結(jié)論：試驗(yàn)完整執(zhí)行GB/T 38822—2020標(biāo)準(zhǔn)草案的規(guī)定程序和各項(xiàng)指標(biāo)，離散系數(shù)較小，試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定可靠。

 

4.2 Ti6242鈦合金蠕變-疲勞試驗(yàn)

 

     試驗(yàn)過程完全按照GB/T 38822—2020標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)過程中沒有發(fā)生偏離方法的情況。試驗(yàn)結(jié)束后盡快停止加熱，以避免斷口過度氧化。試驗(yàn)結(jié)束后的Ti6242 試樣外觀如圖5所示。主要試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

     試驗(yàn)結(jié)論：試驗(yàn)完整執(zhí)行GB/T 38822—2020標(biāo)準(zhǔn)草案的規(guī)定程序和各項(xiàng)指標(biāo)，離散系數(shù)較小，試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定可靠。

 

5、 結(jié)論

 

     GB/T 38822—2020標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)方法可行，技術(shù)指標(biāo)合理，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將為核電、航空等領(lǐng)域的金屬材料蠕變-疲勞試驗(yàn)提供指導(dǎo)，提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。該方法的實(shí)施將提高相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域機(jī)械構(gòu)件的安全性，避免重復(fù)試驗(yàn)，提高社會(huì)效益。

 

作者：周伯謀，陸燕玲

 

單位：中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所

 

來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2024年第10期