2.25Cr-1Mo复杂应力状态下低周疲劳寿命预测

　　实际工程构件、机械设备中疲劳破坏大多数发生在结构不连续如开槽和拐角等处;应力集中如开孔和接管等处;材料内部缺陷如焊缝中的未焊透、裂纹及夹杂等处。当上述各部分承受载荷后,即使在单轴载荷下,也大多处于非均匀复杂应力状态。由于试验条件的限制和计算方法的不完善,目前国内外对复杂应力状态下疲劳问题的研究都较少。因此,研究和工程实际情况相符合的非均匀复杂应力状态下的疲劳问题,具有重要的理论价值和工程意义。

　　1　试验

　　为了通过简单的拉压实验获得三向应力状态,从而进行复杂应力状态下低周疲劳研究,本试验试样形状如图1、2所示,即在圆柱形状试样中央开不同半径的圆弧形缺口,其中图1为无预裂纹圆柱形缺口试样,图2为带有车制预裂纹的圆柱形缺口试样。这样选取试样形状是基于以下几点考虑:a.试样中央有缺口,疲劳破坏将首先产生在缺口处,而在简单拉压疲劳试验条件下,缺口处于三向应力状态,因此可以通过单向疲劳加载来完成多维疲劳试验。b.在试样中央开有不同半径的圆弧形缺口,这样就可以构成缺口部位不同的应力分量比。因此,也可预先进行有限元计算来改变缺口的形状尺寸,从而达到所要求的应力分量比。c.由于疲劳破坏在缺口处产生,而缺口处的复杂应力状态及其应力分布与工程实际中的机器设备相似,故可在一定程度上模拟实际构件的工作状态和破坏历程。

　　本试验采用2.25Cr-1Mo材料,MTS880材料试验机,试验过程采用应变控制,三角形波,应变速率0.002/s,试验温度分别为常温20℃和高温400℃。

　　2　结果及分析

　　本试验在常温、高温条件下对2.25Cr-1Mo材料进行了单拉曲线、循环应力应变曲线测定,并采用由该材料制成的无预裂纹缺口试样及有预裂纹缺口试样分别进行了低周疲劳总寿命(Nf)试验和裂纹扩展寿命(Np)试验,疲劳试验结果分别如表1、2所示。

　　根据试验结果采用NHRDS有限元程序[1]对不同缺口形状试件进行了缺口部位的网格划分及应力、应变计算。

　　将试验和计算结果进行回归后发现,各应变分量和寿命之间都能表征成Manson-Coffin公式的形式。常温、高温下各种缺口形式各应变分量与疲劳总寿命Nf之间的关系式如表3所示,常温、高温下各种缺口形式各应变分量与裂纹扩展寿命Np之间的关系式如表4所示。由此可见,各应变分量与寿命之间产生缺口依存性[2~4]。所以,单独的某一应变分量不能作为疲劳寿命的评价标准[5]。

　　文献[6~8]进行了复杂应力状态下当量应变范围法评价低周疲劳寿命的研究,得出结论:用Mises当量应变范围Δεeq表征疲劳寿命不受缺口形状和尺寸的影响。因此,本文亦采用当量应变范围法对材料的疲劳寿命加以评价。