一种应变控制的拉-扭热机械疲劳试验方法与流程

本发明属于材料热机械疲劳性能测试技术领域，尤其涉及一种应变控制的拉-扭热机械疲劳试验方法。

背景技术：

高超音速临界空间飞行器、航空发动机、燃气涡轮机、核电站、发电厂及压力容器等设备的服役环境异常严苛。尤其在启动、停机和快速操作的过程中，以上设备的高温零部件不仅承受机械循环加载，而且同时承受温度循环加载，可称为热机械疲劳。关键零部件的热机械疲劳失效是以上设备故障的主要原因，而且疲劳失效事发突然，会造成不可估量的人员伤亡和经济损失。

目前，对于热机械疲劳加载下材料的损伤机理，没有系统的认识，不利于设备疲劳寿命和结构的优化设计。为了提高产品的可靠性，保证设备安全运行，迫切需要一种应变控制的拉-扭热机械疲劳试验方法，用于测定材料的热机械疲劳性能，以供设计人员使用。

技术实现要素：

本发明目的在于针对材料热机械疲劳性能测试的需求，提出了一种应变控制的拉-扭热机械疲劳试验方法。

本发明采用的技术方案为一种应变控制的拉-扭热机械疲劳试验方法，本方法的实现步骤如下：

步骤(1)：在零机械加载下，测量轴向热应变εth的自由膨胀，并将其拟合为试样温度t的函数补偿热应变，该试样温度t的函数形式如下：

εth＝e0+e1t+e2t²

其中，εth为轴向热应变，t为试样温度，e0、e1、e2为材料常数；

步骤(2)：设定加载参数，包括轴向机械应变εm波形，剪切应变γ波形，试样温度t波形，热相位角θ即εm和t之间的相位角，机械相位角即εm和γ之间的相位角，加载频率f，其中，轴向机械应变εm由轴向总应变εtot减去补偿的轴向热应变εth得到，如下：

εm＝εtot-εth

其中，εm为轴向机械应变，εtot为轴向总应变；

步骤(3)：在零机械加载下，对试样施加两个设定的温度循环；

步骤(4)：对试样施加设定的载荷，包括机械加载和温度加载；

步骤(5)：记录试验数据，包括时间t、轴向机械应变εm、轴向应力σ、轴向总应变εtot、轴向热应变εth、剪切应变γ、剪切应力τ、试样温度t和循环数n等；

步骤(6)：当试验达到失效判据或预定循环次数时，结束试验。

所述步骤(2)中的剪切应变γ不受温度变化的影响，因此不考虑对试样进行扭向热应变补偿。

本发明的优点在于：提出了一种应变控制的拉-扭热机械疲劳试验方法。本方法能够模拟热端零部件的受载条件，体现材料在拉-扭热机械疲劳加载下的机械性能，以供设计人员研究，提出具有物理意义的疲劳寿命预测模型和相关力学模型。而且，采用本方法可以减少设备结构设计的台架试验，降低设计的资源和时间成本。

附图说明

图1一种典型的拉-扭热机械疲劳加载形式，moptop：机械相位角90°非比例，热相位角180°反相。

图2moptop加载下的温度和响应的应力。

具体实施方式

结合附图说明本发明。

通过对镍基高温合金gh4169进行应变控制的拉-扭热机械疲劳试验，对本发明作进一步说明。

一种应变控制的拉-扭热机械疲劳试验方法，其特征在于：本方法的实现步骤如下：

步骤(1)：在零机械加载下，测量轴向热应变εth的自由膨胀，并将其拟合为试样温度t的函数补偿热应变，该试样温度t的函数形式如下：

εth＝e0+e1t+e2t²

其中，εth为轴向热应变，t为试样温度，e0、e1、e2为材料常数；

对于gh4169，拟合得到的材料参数为：e0＝-1.195×10^-3，e1＝1.551×10^-5，e2＝6.624×10^-10；

步骤(2)：设定加载参数，包括轴向机械应变εm波形，剪切应变γ波形，试样温度t波形，热相位角θ即εm和t之间的相位角，机械相位角即εm和γ之间的相位角，加载频率f，其中，轴向机械应变εm由轴向总应变εtot减去补偿的轴向热应变εth得到，如下：

εm＝εtot-εth

其中，εm为轴向机械应变，εtot为轴向总应变；

图1显示了一种典型的应变控制的拉-扭热机械疲劳加载形式，moptop：机械相位角90°非比例，热相位角180°反相，具体的加载参数见表1：

表1拉扭热机械疲劳试验的加载条件

其中，δεeq/2为等效应变幅，δεx/2为轴向机械应变幅，δγxy/2为剪切应变幅。

步骤(3)：在零机械加载下，对试样施加两个设定的温度循环；

步骤(4)：对试样施加设定的载荷，包括机械加载和温度加载；

步骤(5)：记录试验数据，包括时间t、轴向机械应变εm、轴向应力σ、轴向总应变εtot、轴向热应变εth、剪切应变γ、剪切应力τ、试样温度t和循环数n。

图2显示了moptop拉-扭热机械疲劳加载下的温度、响应的轴向应力和剪切应力波形。

步骤(6)：当试验达到失效判据或预定循环次数时，结束试验。

本发明提供了一种应变控制的拉-扭热机械疲劳试验方法，涉及材料热机械疲劳性能测试技术领域，该方法步骤为：(1)零机械加载下确定热应变补偿函数；(2)设定拉-扭热机械疲劳试验加载参数；(3)零机械加载下施加两个温度循环；(4)施加设定的温度和机械加载；(5)记录试验数据；(6)根据失效判据或预定循环数来结束试验。因为剪切应变不随温度的变化而改变，本方法不考虑对试样进行扭向热应变补偿。本方法可用于材料热机械疲劳性能的测定，降低设计成本，提高设计水平。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种应变控制的拉‑扭热机械疲劳试验方法，涉及材料热机械疲劳性能测试技术领域，该方法步骤为：(1)零机械加载下确定热应变补偿函数；(2)设定拉‑扭热机械疲劳试验加载参数；(3)零机械加载下施加两个温度循环；(4)施加设定的温度和机械加载；(5)记录试验数据；(6)根据失效判据或预定循环数来结束试验。因为剪切应变不随温度的变化而改变，本方法不考虑对试样进行扭向热应变补偿。本方法可用于材料热机械疲劳性能的测定，降低设计成本，提高设计水平。

技术研发人员：尚德广;李道航;薛龙;李罗金;王灵婉;崔进
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2018.08.27
技术公布日：2018.12.11