金属构件在高温使用过程中有可能同时受到蠕变损伤和疲劳损伤。这两种损伤的交互作用可以使材料的蠕变性能和疲劳性能急剧恶化。在航空、核电等机械工程领域，这种蠕变-疲劳交互作用广泛存在，有必要对其交互作用进行研究。国内企业、高校和科研院所对蠕变-疲劳交互作用进行了大量试验，因此有必要制定国家层面的标准，为这些试验提供指导和参考。

 

     中国科学院上海应用物理研究所依托中国科学院战略先导专项未来先进裂变能——钍基熔盐堆核能系统，开展了大量镍基合金蠕变-疲劳试验，积累了丰富的经验。在对国内外标准进行广泛调研的基础上，向全国钢标准化技术委员会（钢标委）力学分委会提出制定《金属材料 蠕变-疲劳试验方法》国家标准的建议。该建议很快获得了钢标委的支持，并上报国家标准化管理委员会（国标委）。国标委同意了该标准制定的立项。

 

     立项后，中国科学院上海应用物理研究所作为主持单位，联合华东理工大学、中国科学院金属研究所、上海发电成套设计研究院有限责任公司、冶金工业信息标准研究院、上海海关工业品与原材料检测技术中心、上海交通大学、上海航空材料结构检测股份有限公司共同组成项目起草小组，标准经起草、征求意见、开展比对试验、送审、报批等环节，最终于2020年6月由国标委发布，2020年12月实施。

 

1、蠕变-疲劳试验的应用背景

 

     陈立佳等在816，927℃下进行总应变控制的不同拉伸应变保持时间的低周疲劳试验，研究了3种高温合金（HAYNES 188，HAYNES 230和HASTELLOY X）的蠕变-疲劳交互作用行为，得出在存在蠕变的情况下，这3种高温合金的应变疲劳寿命均出现缩短现象。何明辉等利用高频感应加热的方法对DD6单晶合金的高温蠕变/疲劳损伤性能进行试验研究，发现DD6单晶合金的高温蠕变/疲劳性能存在明显的方向性，同时在高温条件下，蠕变损伤对试件破坏起重要作用，蠕变与疲劳的交互作用会大大缩短材料的循环寿命。毛雪平等则对30Cr1Mo1V钢转子蠕变-疲劳交互作用下的应力松弛现象及应变-寿命规律进行了研究。大量的研究表明，蠕变对材料的疲劳寿命有巨大影响。

 

     在美国机械工程师协会编制的《核设施设计建造规则 高温力学分卷》中，给出了304和316不锈钢、800H钢、9Cr1MoV钢的评定蠕变-疲劳损伤的包络线。蠕变-疲劳交互作用使得304和316不锈钢的许用疲劳寿命较不存在蠕变的情况缩短达到70%，而镍基合金800H钢在存在蠕变的情况下，其许用疲劳寿命缩短了80%。开展蠕变-疲劳试验是获得蠕变-疲劳包络线的必要手段。

 

2、不同标准体系概况

 

     目前，国际、国内专门针对金属材料蠕变-疲劳试验的标准有两个，一个是美国试验与材料协会制定的ASTM E2714-13《蠕变疲劳试验的标准试验方法》，另一个就是我国制定的国家标准GB/T 38822—2020《金属材料 蠕变-疲劳试验方法》。

 

2.1 美国标准

 

     标准ASTM E2714-13由美国材料与试验协会组织编写和制定。该协会总结了欧美国家蠕变-疲劳试验的经验，并组织了数次研讨会。美国材料与试验协会于2009年和2010年先后发布了两个版本的蠕变-疲劳试验标准：第一个版本为ASTM E2714-09，涉及表征蠕变-疲劳裂纹形成的测试方法特性；而第二个版本ASTM E 2714-10则涵盖了蠕变疲劳裂纹生长特性。2010年11月，美国材料与试验协会组织了专门针对蠕变-疲劳试验的国际研讨会。该研讨会也是国际断裂大会（ICF）的讨论会，讨论了蠕变疲劳裂纹形成领域的最新研究、高温材料和结构中的裂纹扩展。研讨会发布了技术专刊（STP）。在总结研讨会技术成果以及ASTM E 2714-09、ASTM E 2714-10应用实践的基础上，制定了ASTM E2714-13，该标准由引言、参考文件、术语和定义、应用及意义、方程关系、设备、试验试样、试验程序、试验记录、试验报告、结果及偏差等部分组成。

 

2.2 中国标准

 

     标准GB/T 38822—2020由中国标准化管理委员会发布，由全国钢标准化委员会归口，中国科学院上海应用物理研究所牵头起草。GB/T 38822—2020包括引言、范围、规范性引用文件、术语和定义、符号和说明、试验原理、设备、试样、试验程序、试验报告和参考性附录等部分。与美国标准相比，中国标准对试样的加工过程进行了详细的规定，因为试样加工过程对试样表面的粗糙度和残余应力都有影响。同时，将试样加工精度与试样直径相关联，使同轴度与GB/T 2039—2012《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》的规定一致。

 

3、GB/T 38822— 2020的主要技术要点

 

3.1术语和符号

 

     针对蠕变-疲劳试验的特点，定义了以下术语。

 

    （1）保载时间。蠕变-疲劳试验中，试验控制变量（应力、应变）在一个循环中保持不变的时间为保载时间。保载时间通常位于拉伸和（或）压缩的应力或应变峰值处，但也可位于循环内的其他位置。

 

    （2）循环周期。完成一个试验循环的时间为循环周期。参数τt可分为保载（τh）和非保载（τnh）（即稳态和动态）分量，其中总周期时间是保载时间和非保载时间之和。

 

    （3）裂纹形成。当裂纹在试样中萌生并扩展时，裂纹已经形成。

 

    （4）应力范围。最大应力与最小应力之间的差值为应力范围。对于蠕变-疲劳试验，最大和最小应力之间的差值称为“峰值应力范围”。对于应变控制下的蠕变-疲劳试验，保载时间前后应力下降的范围称为“松弛应力范围”。

 

    （5）非弹性应变范围。在循环期间的塑性应变范围和保载时间内，蠕变应变范围的总和为非弹性应变范围，其指的是在拉伸和压缩卸载过程中，应变轴交叉点与滞后回线的外推线性区域在应变轴上的距离。

 

3.2 试验原理

 

     为帮助标准的使用者理解和正确运用本标准的试验结果，编写了试验原理。蠕变-疲劳试验一般在高温下进行，此时材料本身往往同时存在蠕变损伤和疲劳损伤。对于大部分材料来说，氧化会对裂纹的萌生和扩展产生影响。为了获得蠕变导致疲劳性能下降的数据以及疲劳导致持久寿命缩短的数据，建议开展相应的疲劳试验和蠕变试验。附录1 给出了常用的描述蠕变-疲劳数据的经验公式。

 

3.3试验设备

 

     试验设备是保证试验数据的准确性和可靠性的重要保障。标准对试验设备的类型、功能和精度以及部分使用方法进行了规定。主要包括以下内容：① 试验机应满足GB/T 16825.1—2022《金属材料 静力单轴试验机的检验与校准 第1 部分：拉力和（或）压力试验机 测力系统的检验与校准》的要求。试验机能够平稳启动，且保证过零点时不发生回弹。试验机必须具有足够的侧向刚度，确保在压缩期间能保持精确对中。试验机的控制精度应在其控制变量变化区间的1% 以内。②传感器应依据GB/T 16825.1—2022、GB/T 25917.1—2019《单轴疲劳试验系统　第1 部分：动态力校准》、GB/T 12160—2019《金属材料 单轴试验用引伸计系统的标定》进行验证，其精度必须优于分度值的1%，并且能够进行温度补偿，灵敏度变化不超过满量程的0.002%。③夹具应具有足够好的对中性，并应进行同轴度核查；对夹持试样的方式进行了规定。④ 引伸计应适用于长期测量动态位移，并且最大程度降低信号漂移、滑移和机械滞后。应根据GB/T 12160—2019进行校准，且其精度应在1级或更高精度等级。除特殊情况外，应尽量采用轴向引伸计。⑤加热系统可选用的加热方式包括电阻炉加热、辐射加热、感应加热以及惰性气体或液体加热。⑥建议采用热电偶直接测量标距段的温度。⑦循环计数器应能记录至少10万个周期的试验。⑧数据记录仪应能同时收集并处理作为时间和周期函数的力、位移和温度的数据。⑨加载系统应进行同轴度校准，试验温度也应进行校准。

 

3.4试样

 

     试样的形状尺寸和精度对蠕变-疲劳试验结果的准确性至关重要，因此对试样的几何尺寸进行了统一规定（见图1）。这些规定可以对不同实验室、不同试验批次之间的结果数据进行比较。对于等截面圆柱试样，其标距段直径应不小于5mm，标距段长度应大于1.5倍标距段直径，过渡圆弧半径以及夹持端直径应大于两倍试样的直径。进行以上规定的目的在于符合试样在过渡圆弧处以及夹持端失效的可能性，标准建议了标距段的长度范围，这样能有效减小试样断裂于引伸计跨距外的概率，减小失稳的概率，对试样同轴度、平行度以及垂直度的规定可以减小试验数据的分散性，提高试验方法的精度，同时也使加工精度与试样尺寸相匹配；对于其他形状试样的规定能满足特殊试验的要求，因为在一些情况下，需要测试高应变范围条件下的蠕变-疲劳性能，这时采用圆柱试样容易失稳。

 

     对试样的加工方法进行了规定，给试样打上特定的标识，将数据与试样相对应，以便之后的进一步分析。试样表面粗糙度规定应小于0.2，且不应存在垂直加载轴的加工痕迹（可利用光学显微镜20 倍观察），以减小试样由于较差表面质量导致裂纹形成的可能性。

 

3.5试验步骤

 

     对试验步骤进行了详细的规定，不同操作人员以及不同实验室遵循相同的试验步骤，可降低试验结果的不确定度，提高准确性。

 

    （1）规定试样的安装，不可影响组件的对中性以及试样的表面状况。

 

    （2）对引伸计的安装进行规定，以避免打滑以及影响试样的表面质量。

 

    （3）规定了可选用的循环波形，以供不同的客户依据自身需求进行选择。

 

    （4）规定了测量弹性模量、热膨胀的方法，这是开展蠕变-疲劳试验所必需的数据。

 

    （5）规定了引伸计标距进行修正的方法，这有助于提高试验的精度和准确性。

 

    （6）规定了试样的加热方法，以确保试样各部分均达到指定温度。

 

    （7）规定了试验加载的方式，以便不同的试验数据之间能够进行比较。

 

    （8）重点规定了对温度的控制，因为温度会对试验结果产生巨大影响。

 

3.6试验报告

 

     列出了完整的试验报告所能提供的信息，这些信息有一部分是必需的，这些内容是完整描述一个蠕变-疲劳试验所需要的内容，包括试验的条件、试验的重要结果，以及试验过程中偏离标准的变量；另一部分内容则可视为非必需的，可以根据客户的需求列进试验报告中。以上两部分内容都在标准中进行了规定。

 

4、试验验证

 

     为了检验GB/T 38822—2020试验标准的可行性，获得结果的稳定性和准确性，依据试验标准草案，开展了316H不锈钢蠕变-疲劳试验和Ti6242钛合金蠕变-疲劳试验。

 

4.1316H不锈钢蠕变-疲劳试验

 

     试验选用316H不锈钢作为试验材料，316H不锈钢为高碳合金钢，其常用于高温力学结构。按图2进行试样加工，图3为316H不锈钢蠕变-疲劳试样外观。试验采用应变控制，应变范围为1.0%，应变速率为0.001s−1，试验温度为500℃。试验过程完全按照GB/T 38822—2020标准进行。试验过程中没有发生偏离方法的情况。试验结束后尽快停止加热，以避免断口过度氧化。蠕变-疲劳试验结束后的316H不锈钢试样外观如图4所示。316H不锈钢的蠕变-疲劳试验结果如表1所示。

 

 

     试验结论：试验完整执行GB/T 38822—2020标准草案的规定程序和各项指标，离散系数较小，试验结果稳定可靠。

 

4.2 Ti6242钛合金蠕变-疲劳试验

 

     试验过程完全按照GB/T 38822—2020标准进行，试验过程中没有发生偏离方法的情况。试验结束后尽快停止加热，以避免断口过度氧化。试验结束后的Ti6242 试样外观如图5所示。主要试验结果如表2所示。

     试验结论：试验完整执行GB/T 38822—2020标准草案的规定程序和各项指标，离散系数较小，试验结果稳定可靠。

 

5、 结论

 

     GB/T 38822—2020标准中试验方法可行，技术指标合理，试验结果准确可靠。该标准的实施将为核电、航空等领域的金属材料蠕变-疲劳试验提供指导，提高试验结果的可靠性和稳定性。该方法的实施将提高相关工业领域机械构件的安全性，避免重复试验，提高社会效益。

 

作者：周伯谋，陆燕玲

 

单位：中国科学院上海应用物理研究所

 

来源：《理化检验-物理分册》2024年第10期

来源：理化检验物理分册

关键词： 金属材料 蠕变疲劳试验