高温部件的复合高周疲劳研究进展

石红梅，侯 伟

（1.陕西能源职业技术学院机电与信息工程学院，陕西咸阳712000；2.咸阳市特种设备检验所，陕西咸阳712000）

复合高周疲劳，实际上研究的是热机疲劳载荷（TMF）或低周疲劳载荷（LCF）与附加高频振动应力载荷的共同作用。起初，人们认为造成许多高温部件寿命损伤的主要原因是其承受的高频振动载荷的作用[1]；随着科技进步及研究方法的更新，研究学者们发现大多数高温部件在服役期间还承受着一种循环应力大且很难控制的载荷，并将其定义为低周疲劳载荷，这种载荷对高温部件寿命的影响远远大于高频振动应力的影响，因此，低周疲劳载荷对高温部件的影响成为了几十年来蠕变疲劳领域的重点研究问题。然而，随着国家能源行业的发展，发电厂常常面临着调峰问题，使得汽轮机转子等高温部件寿命大大降低，同时，航空发动机上的高温部件也出现了很多提前失效的情况。为此，人们意识到只研究单一的高周或低周疲劳载荷对高温部件寿命的影响，不能解决现实问题。因为高温部件大多长期处于高（超高）温度的工作环境，高频振动应力与低周疲劳载荷叠加在一起，对高温部件寿命的影响将远远大于任何一种单一载荷对其的影响[2]。因此，本文将主要综述复合高周疲劳载荷对高温部件寿命的影响，旨在为高温部件的寿命预测和安全监测提供一定参考价值。

1 高周疲劳载荷对材料疲劳寿命的影响

目前，附加高周疲劳载荷对材料疲劳寿命影响的研究主要集中于两方面，即高低周复合蠕变疲劳和复合高周振动的热交变蠕变疲劳。附加高周疲劳载荷对材料TMF疲劳寿命影响的研究主要集中在汽车发动机气缸盖和机体、燃气轮机或航空发动机燃烧室等高温部件[3-5]，通过实验分析得到如下结论：叠加的高周疲劳载荷对材料疲劳寿命的影响存在一个门槛值（TMF 失效时的应变幅）。当叠加的高周应变幅低于此门槛值时，对疲劳寿命没有明显的影响；当叠加的高周应变幅高于此门槛值时，疲劳寿命随高周应变幅的增大而减小。关于高周疲劳载荷对材料低周疲劳寿命的影响，国内外学者做了很多LCF及LCF+HCF方面的试验研究，大多集中在内燃机、燃气轮机发动机叶片和风扇叶片、汽轮机转子等高温部件上[6-11]，通过实验结果分析可知，附加的高周疲劳载荷会增加材料的裂纹扩展速率，加快材料的失效速度，进而降低材料的低周疲劳寿命。

如图1 所示为常用来制造高温部件的5 种材料在复合高周疲劳实验下的结果，尽管实验材料不同，实验条件也不尽相同，但都可看出附加的高周振动载荷会进一步降低材料的疲劳寿命，可见高周振动载荷对材料寿命的影响是不容忽视的。

图1 高周疲劳载荷对材料复合疲劳寿命的影响

2 高温部件复合高周疲劳寿命的影响因素

从大量实验结果来看，影响材料复合高周疲劳寿命的因素很复杂，而加载条件的影响是最重要的，如高周疲劳和低周疲劳载荷应变幅、高周振动载荷的频率、TMF载荷的保持时间及温度等。除此之外，还有材料因素、实验环境等，本文主要探讨各加载条件因素对材料复合疲劳寿命的影响。

2.1 应变幅

图2所示为汽轮机转子10%Cr钢材料在纯低周疲劳和复合疲劳载荷下的寿命曲线。实心正方形代表的是实验温度600 ℃下，给试样加载不同低周应变幅时的疲劳寿命，从图中可见，只改变应变幅，其余实验条件相同时，材料的低周疲劳寿命会随应变幅的增大而减小。实心圆形为汽轮机转子钢在600 ℃下进行高低周复合疲劳实验后的应变幅-循环周期曲线图[2]，试验中保持低周疲劳载荷的应变幅一定，对试样加载不同高周应变幅，可见材料的复合疲劳寿命会随着高周疲劳载荷应变幅的增大而减小，且都小于相应的低周疲劳寿命。以上分析可看出复合疲劳实验中，低周疲劳载荷和高周疲劳载荷应变幅都会影响材料的复合疲劳寿命。然而，到底谁占主导地位，还需进一步研究两者的交互作用。

图2 10%Cr钢应变幅-循环周期曲线

2.2 温 度

无附加高周疲劳载荷时，温度是影响材料疲劳寿命的主要影响因素之一，温度越高，材料的蠕变疲劳寿命越短，材料更容易失效。而且，一般当实验温度超过300 ℃时，材料内部会发生蠕变现象，其疲劳损伤会更严重，也会加剧疲劳失效。在有附加高周疲劳载荷的复合疲劳实验中，当叠加高周应变幅值一定时，温度越高，材料的复合疲劳寿命越低。如图3 所示，钴基合金材料在热交变载荷基础上叠加应变幅一定的高周疲劳载荷，交变温度的最高值（Tmax）从750 ℃升高到1 200 ℃时，其复合疲劳寿命也逐渐降低。用不同的铸造铝合金进行相同实验，也会得到相似的结论。由此可见，在复合疲劳实验中，温度依然是影响其寿命的主要因素之一，特别是在有热交变载荷的情况下。

图3 CoCr22Ni22W14在不同温度下的复合疲劳寿命

2.3 保持时间

保持时间指的是在有热交变载荷的实验工况下，最高温度（Tmax）所保持的时间。在只有热交变载荷的实验工况下，保持时间是影响材料疲劳寿命的重要因素，所以在热交变载荷并叠加有高周疲劳载荷的复合疲劳实验中，保持时间对材料复合疲劳寿命的影响是不容忽视的。图4 为铸造铝合金AlSi6Cu4和AlSi10Mg 在不同的实验温度和保持时间下的复合疲劳寿命，从图4 中可见，当热交变的最高温度相同，其他实验条件均相同时，最高温度的保持时间由0 s增加到180 s，其疲劳寿命大大降低。诸多研究表明，高温时的保持时间会加强材料内部晶界处的蠕变损伤，进而增加疲劳裂纹扩展速率，加速了材料的疲劳失效[12]。

图4 AlSi6Cu4和AlSi10Mg在不同保持时间时的复合疲劳寿命

2.4 频 率

附加在低周疲劳和热交变载荷上的高周疲劳载荷是随着时间波动的，故其频率的高低对材料的疲劳寿命也是有一定影响的。图5 所示为两种合金材料的复合疲劳寿命[3-4]，实验中保持高周应变幅与热交变载荷的最高温度和保持时间相同，只改变高周应变幅和频率，当频率由6.25 Hz 增加到18.75 Hz 时，两种材料的复合疲劳寿命都有一定程度的缩减，可见高周疲劳载荷的频率越高，材料的复合疲劳寿命会逐渐缩短。在无附加高周疲劳载荷时，加载频率越低，材料的疲劳寿命则越短，这是因为高温下材料内部产生了蠕变损伤，频率降低会增加裂纹尖端有害物质的产生和扩散，从而增加裂纹扩展速率，降低疲劳寿命。然而，高周疲劳载荷的振动频率增加，会使试件或高温部件产生强烈振动，振动幅度越大，试件越容易失效。所以，在高温部件的使用时，应尽可能保证其振动幅度越小越好，才能保证足够的使用寿命。

图5 AlSi7Mg和AlSi5Cu3在不同频率时的复合疲劳寿命

由以上论述可知，材料复合疲劳寿命的影响因素多而复杂。因为，加在试件或某一高温部件的载荷不仅有常见的低周疲劳载荷或热交变载荷，还有附加的高周振动载荷。上述众多因素中，载荷的应变幅和温度是最主要的影响因素，而热交变载荷的保持时间和高周疲劳载荷的振动频率也是重要影响因素，他们对材料疲劳寿命的影响还需进一步深入研究，以保证各材料的使用寿命。

3 结 语

随着各高温部件的运行工况越来越苛刻，高周疲劳载荷对各高温材料寿命的影响也越来越突出。本文从材料所承受的复合高周疲劳载荷出发，一方面综述了高周疲劳载荷对材料寿命的影响，另一方面分析了材料复合高周疲劳寿命的影响因素。高周疲劳载荷的附加会进一步降低材料的疲劳寿命，而材料复合疲劳寿命的影响因素非常复杂，其中各疲劳载荷的应变幅和温度是主要因素，其他因素也在一定程度上影响着材料的复合疲劳寿命，而各因素对材料的作用机理还需进一步深入研究。