高溫部件的復(fù)合高周疲勞研究進(jìn)展

石紅梅，侯 偉

（1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712000；2.咸陽(yáng)市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，陜西咸陽(yáng)712000）

復(fù)合高周疲勞，實(shí)際上研究的是熱機(jī)疲勞載荷（TMF）或低周疲勞載荷（LCF）與附加高頻振動(dòng)應(yīng)力載荷的共同作用。起初，人們認(rèn)為造成許多高溫部件壽命損傷的主要原因是其承受的高頻振動(dòng)載荷的作用[1]；隨著科技進(jìn)步及研究方法的更新，研究學(xué)者們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)高溫部件在服役期間還承受著一種循環(huán)應(yīng)力大且很難控制的載荷，并將其定義為低周疲勞載荷，這種載荷對(duì)高溫部件壽命的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高頻振動(dòng)應(yīng)力的影響，因此，低周疲勞載荷對(duì)高溫部件的影響成為了幾十年來(lái)蠕變疲勞領(lǐng)域的重點(diǎn)研究問(wèn)題。然而，隨著國(guó)家能源行業(yè)的發(fā)展，發(fā)電廠常常面臨著調(diào)峰問(wèn)題，使得汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等高溫部件壽命大大降低，同時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的高溫部件也出現(xiàn)了很多提前失效的情況。為此，人們意識(shí)到只研究單一的高周或低周疲勞載荷對(duì)高溫部件壽命的影響，不能解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。因?yàn)楦邷夭考蠖嚅L(zhǎng)期處于高（超高）溫度的工作環(huán)境，高頻振動(dòng)應(yīng)力與低周疲勞載荷疊加在一起，對(duì)高溫部件壽命的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于任何一種單一載荷對(duì)其的影響[2]。因此，本文將主要綜述復(fù)合高周疲勞載荷對(duì)高溫部件壽命的影響，旨在為高溫部件的壽命預(yù)測(cè)和安全監(jiān)測(cè)提供一定參考價(jià)值。

1 高周疲勞載荷對(duì)材料疲勞壽命的影響

目前，附加高周疲勞載荷對(duì)材料疲勞壽命影響的研究主要集中于兩方面，即高低周復(fù)合蠕變疲勞和復(fù)合高周振動(dòng)的熱交變?nèi)渥兤?。附加高周疲勞載荷對(duì)材料TMF疲勞壽命影響的研究主要集中在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋和機(jī)體、燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等高溫部件[3-5]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得到如下結(jié)論：疊加的高周疲勞載荷對(duì)材料疲勞壽命的影響存在一個(gè)門檻值（TMF 失效時(shí)的應(yīng)變幅）。當(dāng)疊加的高周應(yīng)變幅低于此門檻值時(shí)，對(duì)疲勞壽命沒(méi)有明顯的影響；當(dāng)疊加的高周應(yīng)變幅高于此門檻值時(shí)，疲勞壽命隨高周應(yīng)變幅的增大而減小。關(guān)于高周疲勞載荷對(duì)材料低周疲勞壽命的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多LCF及LCF+HCF方面的試驗(yàn)研究，大多集中在內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和風(fēng)扇葉片、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等高溫部件上[6-11]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，附加的高周疲勞載荷會(huì)增加材料的裂紋擴(kuò)展速率，加快材料的失效速度，進(jìn)而降低材料的低周疲勞壽命。

如圖1 所示為常用來(lái)制造高溫部件的5 種材料在復(fù)合高周疲勞實(shí)驗(yàn)下的結(jié)果，盡管實(shí)驗(yàn)材料不同，實(shí)驗(yàn)條件也不盡相同，但都可看出附加的高周振動(dòng)載荷會(huì)進(jìn)一步降低材料的疲勞壽命，可見(jiàn)高周振動(dòng)載荷對(duì)材料壽命的影響是不容忽視的。

圖1 高周疲勞載荷對(duì)材料復(fù)合疲勞壽命的影響

2 高溫部件復(fù)合高周疲勞壽命的影響因素

從大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，影響材料復(fù)合高周疲勞壽命的因素很復(fù)雜，而加載條件的影響是最重要的，如高周疲勞和低周疲勞載荷應(yīng)變幅、高周振動(dòng)載荷的頻率、TMF載荷的保持時(shí)間及溫度等。除此之外，還有材料因素、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等，本文主要探討各加載條件因素對(duì)材料復(fù)合疲勞壽命的影響。

2.1 應(yīng)變幅

圖2所示為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子10%Cr鋼材料在純低周疲勞和復(fù)合疲勞載荷下的壽命曲線。實(shí)心正方形代表的是實(shí)驗(yàn)溫度600 ℃下，給試樣加載不同低周應(yīng)變幅時(shí)的疲勞壽命，從圖中可見(jiàn)，只改變應(yīng)變幅，其余實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)，材料的低周疲勞壽命會(huì)隨應(yīng)變幅的增大而減小。實(shí)心圓形為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼在600 ℃下進(jìn)行高低周復(fù)合疲勞實(shí)驗(yàn)后的應(yīng)變幅-循環(huán)周期曲線圖[2]，試驗(yàn)中保持低周疲勞載荷的應(yīng)變幅一定，對(duì)試樣加載不同高周應(yīng)變幅，可見(jiàn)材料的復(fù)合疲勞壽命會(huì)隨著高周疲勞載荷應(yīng)變幅的增大而減小，且都小于相應(yīng)的低周疲勞壽命。以上分析可看出復(fù)合疲勞實(shí)驗(yàn)中，低周疲勞載荷和高周疲勞載荷應(yīng)變幅都會(huì)影響材料的復(fù)合疲勞壽命。然而，到底誰(shuí)占主導(dǎo)地位，還需進(jìn)一步研究?jī)烧叩慕换プ饔谩?/p>

圖2 10%Cr鋼應(yīng)變幅-循環(huán)周期曲線

2.2 溫 度

無(wú)附加高周疲勞載荷時(shí)，溫度是影響材料疲勞壽命的主要影響因素之一，溫度越高，材料的蠕變疲勞壽命越短，材料更容易失效。而且，一般當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度超過(guò)300 ℃時(shí)，材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象，其疲勞損傷會(huì)更嚴(yán)重，也會(huì)加劇疲勞失效。在有附加高周疲勞載荷的復(fù)合疲勞實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)疊加高周應(yīng)變幅值一定時(shí)，溫度越高，材料的復(fù)合疲勞壽命越低。如圖3 所示，鈷基合金材料在熱交變載荷基礎(chǔ)上疊加應(yīng)變幅一定的高周疲勞載荷，交變溫度的最高值（Tmax）從750 ℃升高到1 200 ℃時(shí)，其復(fù)合疲勞壽命也逐漸降低。用不同的鑄造鋁合金進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)，也會(huì)得到相似的結(jié)論。由此可見(jiàn)，在復(fù)合疲勞實(shí)驗(yàn)中，溫度依然是影響其壽命的主要因素之一，特別是在有熱交變載荷的情況下。

圖3 CoCr22Ni22W14在不同溫度下的復(fù)合疲勞壽命

2.3 保持時(shí)間

保持時(shí)間指的是在有熱交變載荷的實(shí)驗(yàn)工況下，最高溫度（Tmax）所保持的時(shí)間。在只有熱交變載荷的實(shí)驗(yàn)工況下，保持時(shí)間是影響材料疲勞壽命的重要因素，所以在熱交變載荷并疊加有高周疲勞載荷的復(fù)合疲勞實(shí)驗(yàn)中，保持時(shí)間對(duì)材料復(fù)合疲勞壽命的影響是不容忽視的。圖4 為鑄造鋁合金AlSi6Cu4和AlSi10Mg 在不同的實(shí)驗(yàn)溫度和保持時(shí)間下的復(fù)合疲勞壽命，從圖4 中可見(jiàn)，當(dāng)熱交變的最高溫度相同，其他實(shí)驗(yàn)條件均相同時(shí)，最高溫度的保持時(shí)間由0 s增加到180 s，其疲勞壽命大大降低。諸多研究表明，高溫時(shí)的保持時(shí)間會(huì)加強(qiáng)材料內(nèi)部晶界處的蠕變損傷，進(jìn)而增加疲勞裂紋擴(kuò)展速率，加速了材料的疲勞失效[12]。

圖4 AlSi6Cu4和AlSi10Mg在不同保持時(shí)間時(shí)的復(fù)合疲勞壽命

2.4 頻 率

附加在低周疲勞和熱交變載荷上的高周疲勞載荷是隨著時(shí)間波動(dòng)的，故其頻率的高低對(duì)材料的疲勞壽命也是有一定影響的。圖5 所示為兩種合金材料的復(fù)合疲勞壽命[3-4]，實(shí)驗(yàn)中保持高周應(yīng)變幅與熱交變載荷的最高溫度和保持時(shí)間相同，只改變高周應(yīng)變幅和頻率，當(dāng)頻率由6.25 Hz 增加到18.75 Hz 時(shí)，兩種材料的復(fù)合疲勞壽命都有一定程度的縮減，可見(jiàn)高周疲勞載荷的頻率越高，材料的復(fù)合疲勞壽命會(huì)逐漸縮短。在無(wú)附加高周疲勞載荷時(shí)，加載頻率越低，材料的疲勞壽命則越短，這是因?yàn)楦邷叵虏牧蟽?nèi)部產(chǎn)生了蠕變損傷，頻率降低會(huì)增加裂紋尖端有害物質(zhì)的產(chǎn)生和擴(kuò)散，從而增加裂紋擴(kuò)展速率，降低疲勞壽命。然而，高周疲勞載荷的振動(dòng)頻率增加，會(huì)使試件或高溫部件產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，振動(dòng)幅度越大，試件越容易失效。所以，在高溫部件的使用時(shí)，應(yīng)盡可能保證其振動(dòng)幅度越小越好，才能保證足夠的使用壽命。

圖5 AlSi7Mg和AlSi5Cu3在不同頻率時(shí)的復(fù)合疲勞壽命

由以上論述可知，材料復(fù)合疲勞壽命的影響因素多而復(fù)雜。因?yàn)?，加在試件或某一高溫部件的載荷不僅有常見(jiàn)的低周疲勞載荷或熱交變載荷，還有附加的高周振動(dòng)載荷。上述眾多因素中，載荷的應(yīng)變幅和溫度是最主要的影響因素，而熱交變載荷的保持時(shí)間和高周疲勞載荷的振動(dòng)頻率也是重要影響因素，他們對(duì)材料疲勞壽命的影響還需進(jìn)一步深入研究，以保證各材料的使用壽命。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著各高溫部件的運(yùn)行工況越來(lái)越苛刻，高周疲勞載荷對(duì)各高溫材料壽命的影響也越來(lái)越突出。本文從材料所承受的復(fù)合高周疲勞載荷出發(fā)，一方面綜述了高周疲勞載荷對(duì)材料壽命的影響，另一方面分析了材料復(fù)合高周疲勞壽命的影響因素。高周疲勞載荷的附加會(huì)進(jìn)一步降低材料的疲勞壽命，而材料復(fù)合疲勞壽命的影響因素非常復(fù)雜，其中各疲勞載荷的應(yīng)變幅和溫度是主要因素，其他因素也在一定程度上影響著材料的復(fù)合疲勞壽命，而各因素對(duì)材料的作用機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究。