影響高溫蠕變試樣同軸度和殘余應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變的測試中，由于試件尺寸不足，而設計并加工成縮比試樣，試驗測得的結果超出了技術要求規定。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 殘余應變測量 原因分析

1 引言

金屬材料在常溫狀態下的蠕變現象不明顯，但在某一溫度以上時，其蠕變現象不容忽視，它將成為材料失效的一個控制因素。另外，應力作用也是材料產生蠕變現象的一個必要條件，一般情況下，這個應力小于材料的抗拉強度，大于材料的彈性極限。當所處工作環境的溫度較高時，它不但小于材料的抗拉強度，甚至會小于材料的屈服極限，從而導致材料所制零件在使用中產生不可恢復的微量變形，長期使用，變形量增大，或導致自身失效，或導致與其接觸的部件失效。

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，材料隨時間產生變形的現象。

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）的規律，設計了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；

溫度控制系統，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；

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。

2.3 測試結果，見表1

由表1，測得的四根試樣殘余應變均超出了0.2%的技術要求。

3 原因分析

3.1 試樣加工

由于我們的機械加工設備都是20世紀五、六十年代的產品，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）的變形隨蠕變持續時間的曲線（由計算機采集的時間與殘余變形的數據導致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的偏心率，在13%左右，雖然沒有超出試驗法規定的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，調整左右變形至接近數值，在隨后的試驗過程中，變形的線性明顯，且隨時間增加，變形量不再發生變化或變化很小。

4 改進措施

根據上述的原因分析，并結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，測試結果完全滿足技術指標的要求，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、數據真實可靠，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%指標的制定應該是考慮到國內大多數廠家的設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，對于現用的電子式蠕變持久試驗機是能夠達到要求的。否則再調整光柵尺的位置，直至達到要求。

5 結語

經過試驗，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的蠕變殘余應變測試中，得到了成功應用，蠕變變形隨持續時間的變化符合規律。

［1］《金屬力學性能測試》.

［2］航空金屬材料力學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》.