影響高溫蠕變試樣同軸度和殘余應(yīng)變準確測量的原因分析

唐靖

（貴州黎陽航空動力有限公司特種檢測中心，貴州黎陽 561102）

影響高溫蠕變試樣同軸度和殘余應(yīng)變準確測量的原因分析

唐靖

（貴州黎陽航空動力有限公司特種檢測中心，貴州黎陽 561102）

在某鈦合金材料的高溫蠕變殘余應(yīng)變的測試中，由于試件尺寸不足，而設(shè)計并加工成縮比試樣，試驗測得的結(jié)果超出了技術(shù)要求規(guī)定。為此，我們針對試樣的不同軸度和試驗過程進行了分析，提出了相應(yīng)的改進措施，為粉末合金等高溫合金取縮比試樣進行蠕變試驗提供借鑒和幫助。

影響 試樣同軸度 殘余應(yīng)變測量 原因分析

1 引言

金屬材料在常溫狀態(tài)下的蠕變現(xiàn)象不明顯，但在某一溫度以上時，其蠕變現(xiàn)象不容忽視，它將成為材料失效的一個控制因素。另外，應(yīng)力作用也是材料產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象的一個必要條件，一般情況下，這個應(yīng)力小于材料的抗拉強度，大于材料的彈性極限。當所處工作環(huán)境的溫度較高時，它不但小于材料的抗拉強度，甚至?xí)∮诓牧系那O限，從而導(dǎo)致材料所制零件在使用中產(chǎn)生不可恢復(fù)的微量變形，長期使用，變形量增大，或?qū)е伦陨硎В驅(qū)е屡c其接觸的部件失效。

我們所測試的高溫蠕變性能是狹義的蠕變定義，即在恒定溫度和恒定負荷作用下，材料隨時間產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。

圖1

圖2

圖3

表1

2 試驗

2.1 試樣加工

按GB/T 2039-1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》的要求，蠕變試樣推薦采用Φ10mm，標距L0=10d（試樣直徑），長度185mm的試樣。

由于試料的尺寸所限，無法加工成Φ10mm、185mm的推薦蠕變試樣，因此遵循標距L0=10d（試樣直徑）的規(guī)律，設(shè)計了Φ5mm，工作部位的標距長度為50mm，見圖1。加工的四根試樣的不同軸度超出了圖1的要求。

鑒于此情況，我們決定進行一次嘗試性試驗，找找不同軸度對測試過程及結(jié)果的所存在的影響，為以后的蠕變試驗提供一定的借鑒和幫助。

2.2 試驗設(shè)備、儀器

GWT2105電子式高溫蠕變及持久試驗機，力值檢定合格，并在合格有效期內(nèi)；

溫度控制系統(tǒng)，主要包括智能控溫儀、熱電偶均校準或檢定合格，并在合格有效期內(nèi)；

變形測量儀器為分辨率為1μm的光柵尺，校準合格，并在合格有效期內(nèi)。

2.3 測試結(jié)果，見表1

由表1，測得的四根試樣殘余應(yīng)變均超出了0.2%的技術(shù)要求。

3 原因分析

3.1 試樣加工

由于我們的機械加工設(shè)備都是20世紀五、六十年代的產(chǎn)品，從精度上難以保證，因此外委至分廠加工。但是加工后的不同軸度都超出了要求，見表1。隨后我們進行了現(xiàn)場了解，反映的情況是在加工50mm的工作部位時，試樣會跳動，原因是試樣長，加工部位細，如果將試樣頂緊，會將試樣頂彎。而且最后一道磨削工序也未進行。

3.2 試驗

以99-1（圖2）、100-1（圖3）的變形隨蠕變持續(xù)時間的曲線（由計算機采集的時間與殘余變形的數(shù)據(jù)導(dǎo)致Excel而繪制），進行原因分析。

一般金屬材料蠕變變形隨時間變化曲線分四個階段，即：（1）起始加載階段，變形量明顯增加；（2）變形量增加到一定量時，隨時間增加，變形量不再發(fā)生變化或變化很小；（3）卸載，變形明顯減小；（4）變形減小到一定量時，隨時間不再發(fā)生變化。

由圖2和圖3，試驗從50小時以后至卸去主負荷的100小時之間，變形仍在增加，不再符合上述第2階段的規(guī)律。

變形測量，如圖1，在試樣Φ16的圓臺上分別安裝左右兩個引伸桿，并一同至于高溫爐中，引伸桿的另一端從高溫爐中引出，并裝上測量變形的光柵尺。

一般地，在安裝試樣并裝上引伸桿后，按照試驗法的要求，要在室溫下檢查加載系統(tǒng)的偏心率，在13%左右，雖然沒有超出試驗法規(guī)定的15%，但對于測量分辨率高的光柵尺而言，13%的偏心率就顯得大了些，因為標準方法要求的15%偏心率是針對早期使用百分表測量變形，而且材料的相對變形較大。

圖中的變形是左右兩個變形的平均值，若試樣的同軸度好，試樣安裝后，調(diào)整左右變形至接近數(shù)值，在隨后的試驗過程中，變形的線性明顯，且隨時間增加，變形量不再發(fā)生變化或變化很小。

4 改進措施

根據(jù)上述的原因分析，并結(jié)合試驗過程中的影響因素，我們采取了改進措施，對99和100四根試樣重新取樣進行重新測試，并對隨后提供的97進行測試，測試結(jié)果完全滿足技術(shù)指標的要求，同時變化曲線可以看出，蠕變變形符。

合上述四個階段，說明了整個試驗階段的蠕變變形客觀、數(shù)據(jù)真實可靠，從而證明了我們的改進措施是有效的。具體措施如下：（1）在蠕變試樣的機械加工中，要求提高中心孔的定位精度，嚴格控制進刀量，并且對Φ5mm工作部位進行磨削，尤其是Φ16mm圓臺的R1。（2）室溫下嚴格檢查蠕變試樣的安裝質(zhì)量，即加載方向上的偏心率。

GB/T 2039-1997要求，偏心率不大于15%。但我們認為該指標過大，15%指標的制定應(yīng)該是考慮到國內(nèi)大多數(shù)廠家的設(shè)備仍為機械式砝碼加載，并且用百分表測量變形。因此，我們制定了偏心率不大于5%的要求，在試樣同軸度保證的情況下，對于現(xiàn)用的電子式蠕變持久試驗機是能夠達到要求的。否則再調(diào)整光柵尺的位置，直至達到要求。

5 結(jié)語

經(jīng)過試驗，證明了在試件尺寸不足以取出GB/T 2039-1997推薦的標準試樣的情況下，取短尺寸的縮比非標試樣，并在試樣加工和試驗中嚴格按照改進措施進行。這些改進措施已在粉末合金以及GH4169的蠕變殘余應(yīng)變測試中，得到了成功應(yīng)用，蠕變變形隨持續(xù)時間的變化符合規(guī)律。

［1］《金屬力學(xué)性能測試》.

［2］航空金屬材料力學(xué)性能檢測人員資格鑒定委員會.

［3］GB/T 2039-1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》.