避免高溫試驗(yàn)無(wú)效能耗的研究

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(中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

避免高溫試驗(yàn)無(wú)效能耗的研究

鄧午立，關(guān)敬元

(中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

高溫板材拉伸是基礎(chǔ)材料試驗(yàn)之一，用于測(cè)定各種材料的高溫力學(xué)性能，過(guò)程中需要使用較多的電能。由于經(jīng)常出現(xiàn)試樣銷釘孔首先破壞，斷口位于試樣平直段意外，無(wú)法獲得預(yù)期數(shù)據(jù)的異常斷裂現(xiàn)象，造成了無(wú)效的能源消耗。使用有限元方法及ANSYS軟件，分析試驗(yàn)過(guò)程中試樣的受力情況，確認(rèn)銷釘孔部分區(qū)域在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，是導(dǎo)致異常斷裂的主要原因；同時(shí)通過(guò)改變?cè)嚇拥年P(guān)鍵尺寸，降低銷釘孔局部應(yīng)力集中，保證試樣正常斷裂，避免無(wú)效的能源消耗。

高溫板材拉伸試驗(yàn);異常斷裂;無(wú)效能耗;應(yīng)力集中;試樣改進(jìn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中，需通過(guò)包括整機(jī)、零部件在內(nèi)的大量試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度、性能等指標(biāo)是否滿足使用要求。隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)所承受的強(qiáng)度、溫度載荷變得越發(fā)苛刻，可靠性、安全性要求不斷提升，對(duì)于材料要求也越來(lái)越高。所以，通過(guò)材料力學(xué)性能試驗(yàn)，確認(rèn)原料品質(zhì)、檢驗(yàn)零部件成品理化性能是發(fā)動(dòng)機(jī)研制的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。近年來(lái)，逐漸開展了用于制造薄壁件(如支板、機(jī)匣殼體、噴口調(diào)節(jié)片等)的各種材料的高溫板材拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)。

由于之前采用航標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試樣，初期階段多次出現(xiàn)了試樣異常斷裂的現(xiàn)象。而高溫拉伸試驗(yàn)需在高溫條件下進(jìn)行，過(guò)程中需要消耗較多的能源，在試驗(yàn)技術(shù)不成熟時(shí)，為獲得可信的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)常要多投入幾倍的試驗(yàn)樣品重復(fù)試驗(yàn)，不但影響工程進(jìn)度，還產(chǎn)生了額外的電能消耗，增加發(fā)動(dòng)機(jī)研制成本。鑒于試驗(yàn)設(shè)備短時(shí)間內(nèi)不能得到較大改善，改進(jìn)試驗(yàn)方法和工藝是避免無(wú)效能耗的有效途徑[1-3]。

1 高溫板材拉伸試驗(yàn)

高溫板材拉伸試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中一項(xiàng)基本的材料試驗(yàn)，是將試樣(見(jiàn)圖1)通過(guò)工裝夾具固定在試驗(yàn)器(圖2)上，在高溫環(huán)境下(100～1 200℃)，通過(guò)在試樣的兩端施加載荷使之?dāng)嗔?，從而獲得抗拉強(qiáng)度(σb)、屈服強(qiáng)度(σ0.01、σ0.1、σ0.2)、延伸率(δ)、斷面收縮率(ψ)、線彈性系數(shù)(ε)等材料的強(qiáng)度、塑性數(shù)據(jù)。

為使拉伸試驗(yàn)結(jié)果可信并方便和技術(shù)條件進(jìn)行比對(duì)，通常采用HB 5195《金屬高溫拉伸試驗(yàn)方法》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)板材拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)。試樣材料包括鋁合金、鈦合金、結(jié)構(gòu)鋼、各種變形和鑄造高溫合金(精鑄、定向鑄造和單晶)等，其中以高溫合金居多。

2 問(wèn)題描述

2.1 正常試驗(yàn)

正常的試驗(yàn)斷口應(yīng)出現(xiàn)在試樣平直(L0)范圍內(nèi)，如圖3；這樣才能獲得有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。如試樣不能拉斷或斷口位于L0之外，則試驗(yàn)無(wú)效。

2.2 初期試驗(yàn)遇到的三種異常斷裂形式

2.2.1 銷釘變形彎曲或斷裂

拉伸過(guò)程中，隨著試驗(yàn)器施加的載荷不斷增加，連接試樣和夾具的銷釘在剪切力作用下，產(chǎn)生較大幅度彎曲變形甚至斷裂，試樣不能拉斷無(wú)法測(cè)得強(qiáng)度和塑性數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖1 板材拉伸試樣圖(P代表載荷)

圖2 板材拉伸試驗(yàn)器

圖3 正常斷裂的試樣

圖4 銷釘彎曲和斷裂

2.2.2 銷釘孔撕開引起異常斷裂

如圖5所示，這種斷裂形式斷口出現(xiàn)在銷釘孔處，并且位于銷釘孔垂直試樣長(zhǎng)度方向的兩側(cè)；試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)不能代表試樣材料的真實(shí)水平，測(cè)得的強(qiáng)度和塑性值均偏低，試驗(yàn)無(wú)效。

2.2.3 銷釘孔豁開引起異常斷裂

如圖6所示，斷口位置同樣出現(xiàn)在試樣與夾具連接的銷釘孔處，并且位于試樣長(zhǎng)度方向上的一側(cè)，同樣不能獲得有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖5 銷釘孔撕開

圖6 銷釘孔豁開

2.3 異常斷裂的影響

因試樣異常斷裂導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效直接影響研制進(jìn)度，為獲得有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)必須追加試樣重復(fù)試驗(yàn)，增加原料、加工、人工成本投入的同時(shí)也產(chǎn)生額外的能源消耗。

從節(jié)能的角度講，板材高溫拉伸試驗(yàn)是一項(xiàng)高能耗試驗(yàn)，每次試驗(yàn)必須需要消耗一定的電能，主要用于加熱裝置(電阻爐)加熱以形成一個(gè)類似發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的高溫環(huán)境；其它能耗還包括驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)器電機(jī)產(chǎn)生使試樣斷裂的拉伸載荷，試驗(yàn)器的其它組成如控制器(計(jì)算機(jī))、記錄儀、循環(huán)水冷卻裝置也消耗一定的電能。加熱裝置可根據(jù)試驗(yàn)溫度的高低自動(dòng)選擇輸出功率，即試驗(yàn)溫度越高加熱裝置消耗的功率越大、試驗(yàn)溫度低時(shí)輸出的功率低。

如繼續(xù)按照原有的試驗(yàn)方法工作，那么后續(xù)試驗(yàn)一定產(chǎn)生上述三種異常斷裂結(jié)果，試驗(yàn)全部失敗無(wú)效；同時(shí)，注定會(huì)產(chǎn)生可觀的能源浪費(fèi)。所以必須對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析研究，在找出問(wèn)題產(chǎn)生的原因并制訂相應(yīng)的解決措施后，方可繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。以2012年為例，改進(jìn)試驗(yàn)方法后全年最終完成高溫板材拉伸試驗(yàn)875次，如按試驗(yàn)器平均能耗10 kW、每次試驗(yàn)過(guò)程需要1 h計(jì)算，實(shí)際上至少避免了8 750 kW·h的電能損失。

3 原因分析

3.1 導(dǎo)致異常斷裂可能的原因

造成銷釘變形或斷裂的原因只有兩種：銷釘直徑偏小銷釘材料強(qiáng)度低(包括硬度、剪切強(qiáng)度等)，拉伸過(guò)程中隨著載荷增加，銷釘承受的應(yīng)力超過(guò)其屈服強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度引起變形和斷裂。而造成銷釘孔撕開或豁開的因素比較多，圖7中列出了11種可能的原因。

對(duì)發(fā)生異常斷裂同批次的其它試樣進(jìn)行檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)冶金缺陷、加工刀痕及試樣表面光潔度低、銷釘孔不同心等方面問(wèn)題；使用不同的拉伸速率、保證夾具同心對(duì)中、消除試樣與夾具之間的安裝間隙進(jìn)行試驗(yàn)，仍然斷裂異常，可以排除它們的影響[4-7]；本文主要圍繞試樣銷釘孔受力情況進(jìn)行分析。

3.2 機(jī)理分析

3.2.1 銷釘斷裂和變形

在拉伸過(guò)程中，銷釘承受雙剪載荷。隨著載荷不斷增加，施加在銷釘上的剪切力不斷增加，即

P——載荷[8]。

銷釘受到載荷后即產(chǎn)生彎曲變形，如銷釘硬度不足還會(huì)產(chǎn)生壓痕形成應(yīng)力集中使變形加??；如銷釘所受剪切力超過(guò)其剪切極限，即τ>τb，并且試樣平直段應(yīng)力小于試樣抗拉強(qiáng)度極限(σ<σb)，就會(huì)使銷釘斷裂，而試樣不會(huì)拉斷。

3.2.2 試樣應(yīng)力分析

在給定載荷下，使用ANSYS軟件對(duì)銷釘孔進(jìn)行有限元分析[9-12]，計(jì)算得出孔邊受力情況，見(jiàn)圖10。表明應(yīng)力集中區(qū)域位于孔邊位置。其中，在銷釘孔垂直試樣長(zhǎng)度方向兩側(cè)存在拉伸最大應(yīng)力；在銷釘孔試樣長(zhǎng)度方向一側(cè)出現(xiàn)壓縮最大應(yīng)力。當(dāng)試樣平直段應(yīng)力(平均應(yīng)力水平，σ)為608 MPa時(shí)，孔邊用于集中最大拉伸應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到923 MPa、最大壓縮應(yīng)力703 MPa。

雖然σ<σb(材料拉伸極限)，但應(yīng)力集中區(qū)域最大拉伸載荷已經(jīng)足夠大，可能發(fā)生撕開型斷裂；同理，最大壓縮載荷足夠大時(shí)，出現(xiàn)豁開型斷裂。

4 試驗(yàn)改進(jìn)

4.1 銷釘

選擇具有高溫條件下高強(qiáng)度材料加工橢圓形截面銷釘，外形與銷釘孔一致并控制與銷釘孔的安裝間隙小于0.5 mm。

圖7 導(dǎo)致試樣異常斷裂的可能原因

圖8 應(yīng)力分布

圖9 改進(jìn)前試樣

圖10 改進(jìn)后的試樣

4.2 試樣

基于上述分析，在不改變?cè)嚇油庑渭捌渌叽绲那疤嵯?，將銷釘孔由圓形(φ10)改為橢圓(a=10、b=5)，相應(yīng)的銷釘孔邊距發(fā)生改變[13-15]，以達(dá)到降低孔邊應(yīng)力的目的。 改進(jìn)前后試樣尺寸見(jiàn)圖9、圖10。

調(diào)整后的試樣應(yīng)力分布見(jiàn)圖11。使用與改進(jìn)前相同的載荷進(jìn)行計(jì)算，試樣承受的最大應(yīng)力出現(xiàn)在平直段(σ=608 MPa)，銷釘孔附近最大拉伸應(yīng)力(534 MPa)及壓縮應(yīng)力(522 MPa)均低于平直段應(yīng)力，可以保證試驗(yàn)過(guò)程中從平直段斷裂。

4.3 后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證

2013年至今，使用改進(jìn)后的試樣，完成各種溫度條件下板材高溫拉伸試驗(yàn)1 500余次，沒(méi)有再次出現(xiàn)在銷釘孔附近斷裂的現(xiàn)象，試驗(yàn)全部有效。

5 結(jié)論

高溫拉伸試驗(yàn)需要消耗較多的能源，并且試驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴、技改升級(jí)周期較長(zhǎng)。在不追加投入前提下，通過(guò)試驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)挖潛，提高試驗(yàn)成功率是避免無(wú)效能耗的有效途徑。本文通過(guò)對(duì)高溫拉伸試驗(yàn)異常斷裂問(wèn)題的研究，找到了產(chǎn)生異常斷裂的原因；采用修改試樣銷釘孔以及銷釘?shù)男螤詈统叽绲霓k法，大幅緩解試樣在拉伸過(guò)程中的應(yīng)急集中，保證試樣正常斷裂，進(jìn)而避免了因試驗(yàn)失敗而帶來(lái)的無(wú)效能耗。

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TheResearchforAvoidingInvalidEnergyConsumptionofHighTemperatureTensileTest

DENG Wu-li, GUAN Jing-yuan

(Shenyang Aero-engine Research Institute，Shenyang 110015，China)

High temperature tensile test is one of the basic materials tests,It is used to determine high temperature mechanical property of various materials. Large amounts of electrical energy will be consumed for finishing the test. Due to specimen pin hole is frequent failure at first, the fracture is located in outside work section, the correct test data could not be obtained, and caused an invalid energy consumption. To analyze the stress state in the process of test, the finite element method and ANSYS software had been used, and it had been confirmed that the stress concentration produced in pin hole part is the main reason leading to abnormal fracture; At the same time , the key dimensions had been changed to reduce the pin hole local stress concentration, and ensure that the sample normal fault, avoid the invalid energy consumption.

high temperature sheet tensile test；abnormal fracture；Invalid energy consumption；stress concentration ；improve specimen shape

2013-11-14修訂稿日期2014-02-27

鄧午立(1972～)，男，學(xué)士，高工，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)材料應(yīng)用。

V23:V231.95

A

1002-6339 (2014) 05-0470-05