影响高温蠕变试样同轴度和残余应变准确测量的原因分析

唐靖

（贵州黎阳航空动力有限公司特种检测中心，贵州黎阳 561102）

影响高温蠕变试样同轴度和残余应变准确测量的原因分析

唐靖

（贵州黎阳航空动力有限公司特种检测中心，贵州黎阳 561102）

在某钛合金材料的高温蠕变残余应变的测试中，由于试件尺寸不足，而设计并加工成缩比试样，试验测得的结果超出了技术要求规定。为此，我们针对试样的不同轴度和试验过程进行了分析，提出了相应的改进措施，为粉末合金等高温合金取缩比试样进行蠕变试验提供借鉴和帮助。

影响 试样同轴度 残余应变测量 原因分析

1 引言

金属材料在常温状态下的蠕变现象不明显，但在某一温度以上时，其蠕变现象不容忽视，它将成为材料失效的一个控制因素。另外，应力作用也是材料产生蠕变现象的一个必要条件，一般情况下，这个应力小于材料的抗拉强度，大于材料的弹性极限。当所处工作环境的温度较高时，它不但小于材料的抗拉强度，甚至会小于材料的屈服极限，从而导致材料所制零件在使用中产生不可恢复的微量变形，长期使用，变形量增大，或导致自身失效，或导致与其接触的部件失效。

我们所测试的高温蠕变性能是狭义的蠕变定义，即在恒定温度和恒定负荷作用下，材料随时间产生变形的现象。

图1

图2

图3

表1

2 试验

2.1 试样加工

按GB/T 2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》的要求，蠕变试样推荐采用Φ10mm，标距L0=10d（试样直径），长度185mm的试样。

由于试料的尺寸所限，无法加工成Φ10mm、185mm的推荐蠕变试样，因此遵循标距L0=10d（试样直径）的规律，设计了Φ5mm，工作部位的标距长度为50mm，见图1。加工的四根试样的不同轴度超出了图1的要求。

鉴于此情况，我们决定进行一次尝试性试验，找找不同轴度对测试过程及结果的所存在的影响，为以后的蠕变试验提供一定的借鉴和帮助。

2.2 试验设备、仪器

GWT2105电子式高温蠕变及持久试验机，力值检定合格，并在合格有效期内；

温度控制系统，主要包括智能控温仪、热电偶均校准或检定合格，并在合格有效期内；

变形测量仪器为分辨率为1μm的光栅尺，校准合格，并在合格有效期内。

2.3 测试结果，见表1

由表1，测得的四根试样残余应变均超出了0.2%的技术要求。

3 原因分析

3.1 试样加工

由于我们的机械加工设备都是20世纪五、六十年代的产品，从精度上难以保证，因此外委至分厂加工。但是加工后的不同轴度都超出了要求，见表1。随后我们进行了现场了解，反映的情况是在加工50mm的工作部位时，试样会跳动，原因是试样长，加工部位细，如果将试样顶紧，会将试样顶弯。而且最后一道磨削工序也未进行。

3.2 试验

以99-1（图2）、100-1（图3）的变形随蠕变持续时间的曲线（由计算机采集的时间与残余变形的数据导致Excel而绘制），进行原因分析。

一般金属材料蠕变变形随时间变化曲线分四个阶段，即：（1）起始加载阶段，变形量明显增加；（2）变形量增加到一定量时，随时间增加，变形量不再发生变化或变化很小；（3）卸载，变形明显减小；（4）变形减小到一定量时，随时间不再发生变化。

由图2和图3，试验从50小时以后至卸去主负荷的100小时之间，变形仍在增加，不再符合上述第2阶段的规律。

变形测量，如图1，在试样Φ16的圆台上分别安装左右两个引伸杆，并一同至于高温炉中，引伸杆的另一端从高温炉中引出，并装上测量变形的光栅尺。

一般地，在安装试样并装上引伸杆后，按照试验法的要求，要在室温下检查加载系统的偏心率，在13%左右，虽然没有超出试验法规定的15%，但对于测量分辨率高的光栅尺而言，13%的偏心率就显得大了些，因为标准方法要求的15%偏心率是针对早期使用百分表测量变形，而且材料的相对变形较大。

图中的变形是左右两个变形的平均值，若试样的同轴度好，试样安装后，调整左右变形至接近数值，在随后的试验过程中，变形的线性明显，且随时间增加，变形量不再发生变化或变化很小。

4 改进措施

根据上述的原因分析，并结合试验过程中的影响因素，我们采取了改进措施，对99和100四根试样重新取样进行重新测试，并对随后提供的97进行测试，测试结果完全满足技术指标的要求，同时变化曲线可以看出，蠕变变形符。

合上述四个阶段，说明了整个试验阶段的蠕变变形客观、数据真实可靠，从而证明了我们的改进措施是有效的。具体措施如下：（1）在蠕变试样的机械加工中，要求提高中心孔的定位精度，严格控制进刀量，并且对Φ5mm工作部位进行磨削，尤其是Φ16mm圆台的R1。（2）室温下严格检查蠕变试样的安装质量，即加载方向上的偏心率。

GB/T 2039-1997要求，偏心率不大于15%。但我们认为该指标过大，15%指标的制定应该是考虑到国内大多数厂家的设备仍为机械式砝码加载，并且用百分表测量变形。因此，我们制定了偏心率不大于5%的要求，在试样同轴度保证的情况下，对于现用的电子式蠕变持久试验机是能够达到要求的。否则再调整光栅尺的位置，直至达到要求。

5 结语

经过试验，证明了在试件尺寸不足以取出GB/T 2039-1997推荐的标准试样的情况下，取短尺寸的缩比非标试样，并在试样加工和试验中严格按照改进措施进行。这些改进措施已在粉末合金以及GH4169的蠕变残余应变测试中，得到了成功应用，蠕变变形随持续时间的变化符合规律。

［1］《金属力学性能测试》.

［2］航空金属材料力学性能检测人员资格鉴定委员会.

［3］GB/T 2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》.