避免高温试验无效能耗的研究

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(中航工业沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015)

避免高温试验无效能耗的研究

邓午立，关敬元

(中航工业沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015)

高温板材拉伸是基础材料试验之一，用于测定各种材料的高温力学性能，过程中需要使用较多的电能。由于经常出现试样销钉孔首先破坏，断口位于试样平直段意外，无法获得预期数据的异常断裂现象，造成了无效的能源消耗。使用有限元方法及ANSYS软件，分析试验过程中试样的受力情况，确认销钉孔部分区域在试验过程中产生应力集中，是导致异常断裂的主要原因；同时通过改变试样的关键尺寸，降低销钉孔局部应力集中，保证试样正常断裂，避免无效的能源消耗。

高温板材拉伸试验;异常断裂;无效能耗;应力集中;试样改进

航空发动机研发过程中，需通过包括整机、零部件在内的大量试验，来验证发动机强度、性能等指标是否满足使用要求。随着现代航空发动机在工作时所承受的强度、温度载荷变得越发苛刻，可靠性、安全性要求不断提升，对于材料要求也越来越高。所以，通过材料力学性能试验，确认原料品质、检验零部件成品理化性能是发动机研制的一个必不可少的环节。近年来，逐渐开展了用于制造薄壁件(如支板、机匣壳体、喷口调节片等)的各种材料的高温板材拉伸力学性能试验。

由于之前采用航标规定的标准试样，初期阶段多次出现了试样异常断裂的现象。而高温拉伸试验需在高温条件下进行，过程中需要消耗较多的能源，在试验技术不成熟时，为获得可信的试验数据，经常要多投入几倍的试验样品重复试验，不但影响工程进度，还产生了额外的电能消耗，增加发动机研制成本。鉴于试验设备短时间内不能得到较大改善，改进试验方法和工艺是避免无效能耗的有效途径[1-3]。

1 高温板材拉伸试验

高温板材拉伸试验是发动机研制过程中一项基本的材料试验，是将试样(见图1)通过工装夹具固定在试验器(图2)上，在高温环境下(100～1 200℃)，通过在试样的两端施加载荷使之断裂，从而获得抗拉强度(σb)、屈服强度(σ0.01、σ0.1、σ0.2)、延伸率(δ)、断面收缩率(ψ)、线弹性系数(ε)等材料的强度、塑性数据。

为使拉伸试验结果可信并方便和技术条件进行比对，通常采用HB 5195《金属高温拉伸试验方法》中规定的标准板材拉伸试样进行试验。试样材料包括铝合金、钛合金、结构钢、各种变形和铸造高温合金(精铸、定向铸造和单晶)等，其中以高温合金居多。

2 问题描述

2.1 正常试验

正常的试验断口应出现在试样平直(L0)范围内，如图3；这样才能获得有效的试验数据。如试样不能拉断或断口位于L0之外，则试验无效。

2.2 初期试验遇到的三种异常断裂形式

2.2.1 销钉变形弯曲或断裂

拉伸过程中，随着试验器施加的载荷不断增加，连接试样和夹具的销钉在剪切力作用下，产生较大幅度弯曲变形甚至断裂，试样不能拉断无法测得强度和塑性数据，如图4所示。

图1 板材拉伸试样图(P代表载荷)

图2 板材拉伸试验器

图3 正常断裂的试样

图4 销钉弯曲和断裂

2.2.2 销钉孔撕开引起异常断裂

如图5所示，这种断裂形式断口出现在销钉孔处，并且位于销钉孔垂直试样长度方向的两侧；试验所获得的数据不能代表试样材料的真实水平，测得的强度和塑性值均偏低，试验无效。

2.2.3 销钉孔豁开引起异常断裂

如图6所示，断口位置同样出现在试样与夹具连接的销钉孔处，并且位于试样长度方向上的一侧，同样不能获得有效的试验数据。

图5 销钉孔撕开

图6 销钉孔豁开

2.3 异常断裂的影响

因试样异常断裂导致试验结果无效直接影响研制进度，为获得有效试验数据必须追加试样重复试验，增加原料、加工、人工成本投入的同时也产生额外的能源消耗。

从节能的角度讲，板材高温拉伸试验是一项高能耗试验，每次试验必须需要消耗一定的电能，主要用于加热装置(电阻炉)加热以形成一个类似发动机工作时的高温环境；其它能耗还包括驱动试验器电机产生使试样断裂的拉伸载荷，试验器的其它组成如控制器(计算机)、记录仪、循环水冷却装置也消耗一定的电能。加热装置可根据试验温度的高低自动选择输出功率，即试验温度越高加热装置消耗的功率越大、试验温度低时输出的功率低。

如继续按照原有的试验方法工作，那么后续试验一定产生上述三种异常断裂结果，试验全部失败无效；同时，注定会产生可观的能源浪费。所以必须对问题进行分析研究，在找出问题产生的原因并制订相应的解决措施后，方可继续进行试验。以2012年为例，改进试验方法后全年最终完成高温板材拉伸试验875次，如按试验器平均能耗10 kW、每次试验过程需要1 h计算，实际上至少避免了8 750 kW·h的电能损失。

3 原因分析

3.1 导致异常断裂可能的原因

造成销钉变形或断裂的原因只有两种：销钉直径偏小销钉材料强度低(包括硬度、剪切强度等)，拉伸过程中随着载荷增加，销钉承受的应力超过其屈服强度和剪切强度引起变形和断裂。而造成销钉孔撕开或豁开的因素比较多，图7中列出了11种可能的原因。

对发生异常断裂同批次的其它试样进行检查，没有发现冶金缺陷、加工刀痕及试样表面光洁度低、销钉孔不同心等方面问题；使用不同的拉伸速率、保证夹具同心对中、消除试样与夹具之间的安装间隙进行试验，仍然断裂异常，可以排除它们的影响[4-7]；本文主要围绕试样销钉孔受力情况进行分析。

3.2 机理分析

3.2.1 销钉断裂和变形

在拉伸过程中，销钉承受双剪载荷。随着载荷不断增加，施加在销钉上的剪切力不断增加，即

P——载荷[8]。

销钉受到载荷后即产生弯曲变形，如销钉硬度不足还会产生压痕形成应力集中使变形加剧；如销钉所受剪切力超过其剪切极限，即τ>τb，并且试样平直段应力小于试样抗拉强度极限(σ<σb)，就会使销钉断裂，而试样不会拉断。

3.2.2 试样应力分析

在给定载荷下，使用ANSYS软件对销钉孔进行有限元分析[9-12]，计算得出孔边受力情况，见图10。表明应力集中区域位于孔边位置。其中，在销钉孔垂直试样长度方向两侧存在拉伸最大应力；在销钉孔试样长度方向一侧出现压缩最大应力。当试样平直段应力(平均应力水平，σ)为608 MPa时，孔边用于集中最大拉伸应力已经达到923 MPa、最大压缩应力703 MPa。

虽然σ<σb(材料拉伸极限)，但应力集中区域最大拉伸载荷已经足够大，可能发生撕开型断裂；同理，最大压缩载荷足够大时，出现豁开型断裂。

4 试验改进

4.1 销钉

选择具有高温条件下高强度材料加工椭圆形截面销钉，外形与销钉孔一致并控制与销钉孔的安装间隙小于0.5 mm。

图7 导致试样异常断裂的可能原因

图8 应力分布

图9 改进前试样

图10 改进后的试样

4.2 试样

基于上述分析，在不改变试样外形及其它尺寸的前提下，将销钉孔由圆形(φ10)改为椭圆(a=10、b=5)，相应的销钉孔边距发生改变[13-15]，以达到降低孔边应力的目的。 改进前后试样尺寸见图9、图10。

调整后的试样应力分布见图11。使用与改进前相同的载荷进行计算，试样承受的最大应力出现在平直段(σ=608 MPa)，销钉孔附近最大拉伸应力(534 MPa)及压缩应力(522 MPa)均低于平直段应力，可以保证试验过程中从平直段断裂。

4.3 后续试验验证

2013年至今，使用改进后的试样，完成各种温度条件下板材高温拉伸试验1 500余次，没有再次出现在销钉孔附近断裂的现象，试验全部有效。

5 结论

高温拉伸试验需要消耗较多的能源，并且试验设备价格昂贵、技改升级周期较长。在不追加投入前提下，通过试验技术改进挖潜，提高试验成功率是避免无效能耗的有效途径。本文通过对高温拉伸试验异常断裂问题的研究，找到了产生异常断裂的原因；采用修改试样销钉孔以及销钉的形状和尺寸的办法，大幅缓解试样在拉伸过程中的应急集中，保证试样正常断裂，进而避免了因试验失败而带来的无效能耗。

[1]徐若然,向驰，付永长，等.基于dsPIC单片机和MCP3909的智能无功补偿控制器设计[J].电网与清洁能源，2013，29(5)：39-44.

[2]袁建生.提高计量设备性能，促进节能降耗[J].工业计量，2007,17(6)：783-784.

[3]赵维忠，朱立炜.高寒低温条件直冷机组凝汽器防冻运行研究[J].电网与清洁能源，2014,30(3):59-63.

[4]赵元.拉伸试验的同轴度分析[J].工程与试验，2008(增刊)：22-26.

[5]潘新红.试样加工与检测工艺对力学性能的影响[C].全国冶金物理测试信息网2008年学术年会论文集,2008:13-15.

[6]孙红云.金属材料拉伸试验的影响因素及操作要求[J].现代测量与实验室管理，2008(6)：27-29.

[7]曹志清，张雅琴，赵惠清，等.材料力学性能试验机研究[J].北京化工大学学报，2000,27(3)：43-45.

[8]周庆喜.拉板的销孔受力分析和实用计算[J].建设机械技术与管理 产品·技术，2012(5):125-127.

[9]R.E.PETESON.SRESS CONCENTRATION FACTORS. Consultant Westinghouse Research Laboratories.1931：196-217.

[10]余海燕.金属薄板十字拉伸试验设计关键技术[J].同济大学学报:自然科学版，2013,41(4)：551-558.

[11]李荣锋.双向拉伸试验技术最新进展[J].工程与试验，2011(S1)：1-3.

[12]任家陶，李冈陵，豆志武，等.双向拉伸试验的进展与钛板双向拉伸的强化研究[J].实验力学，2001,16(2)：196-206.

[13]任黎，陈立宁，马亚南，等.材料拉伸性能测试试样形状与评判方法[J].化学推进剂与高分子材料，2013,11(2)：33-36.

[14]张孟玟，李茂盛，常冬梅，等.尺寸缺陷对拉伸试验影响的研究[J].机械设计与制造，2008(6)：101-102.

[15]宋玉泉，索忠林.材料参数对拉伸失稳影响的力学解析[J].金属学报，2006,42(4):337-340.

TheResearchforAvoidingInvalidEnergyConsumptionofHighTemperatureTensileTest

DENG Wu-li, GUAN Jing-yuan

(Shenyang Aero-engine Research Institute，Shenyang 110015，China)

High temperature tensile test is one of the basic materials tests,It is used to determine high temperature mechanical property of various materials. Large amounts of electrical energy will be consumed for finishing the test. Due to specimen pin hole is frequent failure at first, the fracture is located in outside work section, the correct test data could not be obtained, and caused an invalid energy consumption. To analyze the stress state in the process of test, the finite element method and ANSYS software had been used, and it had been confirmed that the stress concentration produced in pin hole part is the main reason leading to abnormal fracture; At the same time , the key dimensions had been changed to reduce the pin hole local stress concentration, and ensure that the sample normal fault, avoid the invalid energy consumption.

high temperature sheet tensile test；abnormal fracture；Invalid energy consumption；stress concentration ；improve specimen shape

2013-11-14修订稿日期2014-02-27

邓午立(1972～)，男，学士，高工，研究方向为航空发动机材料应用。

V23:V231.95

A

1002-6339 (2014) 05-0470-05