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長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作的部件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：高溫部件）常因受到一種溫度與載荷的復(fù)合作用而過(guò)早失效。這種復(fù)合作用被稱(chēng)為“蠕變-疲勞相互作用（CFI）^①”，是導(dǎo)致高溫環(huán)境下部件過(guò)早失效的一個(gè)重要因素。

在航空航天以及電力等行業(yè)的實(shí)際工作環(huán)境中，高溫部件在啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)會(huì)因熱瞬態(tài)而經(jīng)歷應(yīng)變控制^④的疲勞循環(huán)，而在其穩(wěn)定運(yùn)行期間（停留時(shí)間）則承受應(yīng)力控制^⑤的穩(wěn)定載荷。

由此看來(lái)，高溫部件的實(shí)際加載條件是“應(yīng)力和應(yīng)變控制的蠕變-疲勞相互作用（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：HCFI）”的混合加載。

如何評(píng)定受“蠕變-疲勞相互作用”影響的高溫部件的力學(xué)性能？

我們通常會(huì)采用傳統(tǒng)的蠕變-疲勞相互作用（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：CCFI）試驗(yàn)。但要注意的是，該試驗(yàn)通常僅通過(guò)應(yīng)變控制進(jìn)行，使得試驗(yàn)在停留時(shí)間出現(xiàn)應(yīng)力松弛^⑥而非應(yīng)力控制，這導(dǎo)致其無(wú)法還原高溫部件在HCFI停留時(shí)間因受到應(yīng)力控制而產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變（ε_c）^⑧，偏離高溫部件的真實(shí)服役條件，影響試驗(yàn)結(jié)果對(duì)材料實(shí)際性能的評(píng)定。

是否能夠在實(shí)驗(yàn)室中盡可能還原高溫部件在實(shí)際工況中的HCFI加載條件呢？下面我們通過(guò)一個(gè)實(shí)踐案例來(lái)找尋答案。

近日，南京理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院使用中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司研制的RPL100蠕變-疲勞試驗(yàn)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：設(shè)備），進(jìn)行了完整的HCFI試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)，RPL100蠕變-疲勞試驗(yàn)機(jī)通過(guò)控制器在應(yīng)變控制的疲勞循環(huán)結(jié)束后的卸載過(guò)程中，將試樣的控制模式按照預(yù)先設(shè)置的停留期間保持應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力控制，模擬了實(shí)際工況中的兩種不同負(fù)載控制模式，即循環(huán)加載期間的應(yīng)變控制模式和停留或穩(wěn)定加載期間（停留時(shí)間）的應(yīng)力控制模式，還原了高溫部件在實(shí)際工況中受到的HCFI混合加載模式。

下圖體現(xiàn)了設(shè)備在不同階段的應(yīng)力控制與應(yīng)變控制情況，藍(lán)線(xiàn)代表HCFI試驗(yàn)中由應(yīng)變控制的疲勞循環(huán)階段，紅線(xiàn)代表應(yīng)力控制的保持階段，圖中縱坐標(biāo)分別為試樣的蠕變應(yīng)變（ε，圖a）以及試樣應(yīng)力（δ，圖b），橫坐標(biāo)為試驗(yàn)時(shí)間。

圖1：設(shè)備在不同階段的應(yīng)力控制與應(yīng)變控制情況??

接下來(lái)我們分享兩個(gè)較為重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)一

下圖是不同停留時(shí)間以及對(duì)應(yīng)應(yīng)力下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣峰值拉伸應(yīng)力的變化情況。圖中展示了140MPa（a）、150MPa（b）、160MPa（c）、170MPa（d）四種應(yīng)力以及300秒（圖中黑色線(xiàn)）、600秒（圖中紅色線(xiàn)）、1800秒（圖中藍(lán)色線(xiàn)）四種停留時(shí)間與純疲勞加載（PF，圖中綠色線(xiàn)）的對(duì)比。圖表橫坐標(biāo)為HCFI循環(huán)次數(shù)（N），縱坐標(biāo)為試樣最大拉伸應(yīng)力（MPa）。

圖2：不同停留時(shí)間和停留應(yīng)力下HCFI試驗(yàn)的峰值拉伸應(yīng)力變化情況

從圖中可以看出，在停留時(shí)間恒定的情況下，停留期間應(yīng)力越大，試樣的蠕變應(yīng)變?cè)黾拥迷娇?；同樣在停留期間應(yīng)力相同的情況下，停留時(shí)間越長(zhǎng)，試樣的蠕變應(yīng)變?cè)黾拥迷娇臁?/span>因此可得出：HCFI試驗(yàn)中，蠕變應(yīng)變隨保持應(yīng)力和停留時(shí)間的增加而增加。

數(shù)據(jù)二

下圖分別展現(xiàn)了試驗(yàn)中在不同的停留時(shí)間應(yīng)力下，循環(huán)周期對(duì)試樣蠕變應(yīng)變速度的影響（左圖），以及不同停留時(shí)間應(yīng)力對(duì)試樣半衰期蠕變應(yīng)變程度的影響（右圖），同時(shí)引入傳統(tǒng)的蠕變-疲勞相互作用（CCFI）試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照。

圖3：HCFI和CCFI試驗(yàn)的蠕變應(yīng)變響應(yīng)??

從左圖中得出：在相同條件下，HCFI中的停留時(shí)間應(yīng)力增大會(huì)增加試樣蠕變應(yīng)變的速度，但CCFI并無(wú)此效果。

從右圖中得出：在HCFI的140兆帕保持應(yīng)力下的蠕變應(yīng)變（0.084%）與更嚴(yán)苛的環(huán)境下（650℃）進(jìn)行CCFI試驗(yàn)中的蠕變應(yīng)變（紅線(xiàn)標(biāo)記）處于同一個(gè)水平。

這體現(xiàn)了HCFI載荷能夠比CCFI載荷引發(fā)更高的蠕變損傷，再次證明了CCFI試驗(yàn)無(wú)法還原HCFI對(duì)高溫部件的影響。

通過(guò)上述試驗(yàn)可得出結(jié)論：中機(jī)試驗(yàn)RPL100蠕變-疲勞試驗(yàn)機(jī)完全可以復(fù)現(xiàn)高溫部件的真實(shí)服役環(huán)境，并完成該條件下部件的力學(xué)性能測(cè)試。

中機(jī)試驗(yàn)RPL100蠕變-疲勞試驗(yàn)機(jī)適用于高溫合金、難熔金屬、陶瓷、復(fù)合材料等多種先進(jìn)材料及其構(gòu)件在高溫真空、惰性氣體、大氣、腐蝕性煙氣、水氧耦合等多種嚴(yán)苛環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)力學(xué)性能測(cè)試。其測(cè)試能力覆蓋蠕變、持久強(qiáng)度、應(yīng)力松弛、周期持久、蠕變.疲勞交互、慢速率應(yīng)力腐蝕、小沖孔蠕變以及氫脆敏感性等一系列關(guān)鍵性能評(píng)價(jià)項(xiàng)目。

圖4：中機(jī)試驗(yàn)RPL100蠕變-疲勞試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

該設(shè)備通過(guò)高精度閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變控制與應(yīng)力控制模式的精準(zhǔn)切換與混合加載，能夠高度還原高溫部件在實(shí)際啟停與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中所經(jīng)歷的復(fù)雜載荷歷程。這解決了傳統(tǒng)純應(yīng)變控制試驗(yàn)中因應(yīng)力松弛而無(wú)法模擬實(shí)際應(yīng)力保持階段的問(wèn)題，從而在實(shí)驗(yàn)室條件下精準(zhǔn)重構(gòu)蠕變-疲勞交互作用（HCFI）環(huán)境。

通過(guò)提供長(zhǎng)時(shí)、穩(wěn)定、可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)，中機(jī)試驗(yàn)RPL100蠕變-疲勞試驗(yàn)機(jī)打破了傳統(tǒng)試驗(yàn)方法在模擬真實(shí)工況方面的局限，將實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件與工程實(shí)際服役環(huán)境高度統(tǒng)一，使得材料與構(gòu)件的性能評(píng)價(jià)更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

該設(shè)備為突破高溫部件長(zhǎng)壽命、高可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的技術(shù)瓶頸提供了先進(jìn)的測(cè)試裝備保障，是保障重大裝備安全運(yùn)行、提升先進(jìn)制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要技術(shù)基石。

①蠕變-疲勞相互作用：當(dāng)蠕變和疲勞損傷依次或同時(shí)發(fā)生時(shí)，一種損傷對(duì)另一種損傷的發(fā)展過(guò)程將產(chǎn)生一定的影響，從而加速或減緩總損傷，影響材料疲勞壽命，這就是蠕變疲勞交互作用。

②應(yīng)力（stress）：應(yīng)力，指物體受到外力而變形時(shí)，在其內(nèi)部之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力。

③應(yīng)變（strain）：應(yīng)變是物體在外力或非均勻溫度場(chǎng)作用下產(chǎn)生的局部相對(duì)變形。

④應(yīng)力控制：控制單位時(shí)間的應(yīng)力增加量。

⑤應(yīng)變控制：控制單位時(shí)間的局部應(yīng)變?cè)黾恿俊?/span>

⑥應(yīng)力松弛(stress relaxation)：應(yīng)力松弛是指構(gòu)件總變形(彈性變形和塑性變形)保持不變，隨蠕變使塑性變形不斷增加，彈性變形相應(yīng)減少，而應(yīng)力隨時(shí)間緩慢降低的現(xiàn)象。

⑦蠕變（creep）：固體材料在保持應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象。

⑧蠕變應(yīng)變（creep strain）：蠕變應(yīng)變是指在恒定應(yīng)力作用下，材料隨時(shí)間延長(zhǎng)而產(chǎn)生的塑性變形現(xiàn)象。

END