長期在高溫環(huán)境下工作的部件（以下簡稱：高溫部件）常因受到一種溫度與載荷的復合作用而過早失效。這種復合作用被稱為“蠕變-疲勞相互作用（CFI）^①”，是導致高溫環(huán)境下部件過早失效的一個重要因素。

在航空航天以及電力等行業(yè)的實際工作環(huán)境中，高溫部件在啟動和關(guān)閉時會因熱瞬態(tài)而經(jīng)歷應變控制^④的疲勞循環(huán)，而在其穩(wěn)定運行期間（停留時間）則承受應力控制^⑤的穩(wěn)定載荷。

由此看來，高溫部件的實際加載條件是“應力和應變控制的蠕變-疲勞相互作用（以下簡稱：HCFI）”的混合加載。

如何評定受“蠕變-疲勞相互作用”影響的高溫部件的力學性能？

我們通常會采用傳統(tǒng)的蠕變-疲勞相互作用（以下簡稱：CCFI）試驗。但要注意的是，該試驗通常僅通過應變控制進行，使得試驗在停留時間出現(xiàn)應力松弛^⑥而非應力控制，這導致其無法還原高溫部件在HCFI停留時間因受到應力控制而產(chǎn)生的蠕變應變（ε_c）^⑧，偏離高溫部件的真實服役條件，影響試驗結(jié)果對材料實際性能的評定。

是否能夠在實驗室中盡可能還原高溫部件在實際工況中的HCFI加載條件呢？下面我們通過一個實踐案例來找尋答案。

近日，南京理工大學機械與動力工程學院使用中機試驗裝備股份有限公司研制的RPL100蠕變-疲勞試驗機（以下簡稱：設(shè)備），進行了完整的HCFI試驗。

試驗時，RPL100蠕變-疲勞試驗機通過控制器在應變控制的疲勞循環(huán)結(jié)束后的卸載過程中，將試樣的控制模式按照預先設(shè)置的停留期間保持應力轉(zhuǎn)變?yōu)閼刂疲?/span>模擬了實際工況中的兩種不同負載控制模式，即循環(huán)加載期間的應變控制模式和停留或穩(wěn)定加載期間（停留時間）的應力控制模式，還原了高溫部件在實際工況中受到的HCFI混合加載模式。

下圖體現(xiàn)了設(shè)備在不同階段的應力控制與應變控制情況，藍線代表HCFI試驗中由應變控制的疲勞循環(huán)階段，紅線代表應力控制的保持階段，圖中縱坐標分別為試樣的蠕變應變（ε，圖a）以及試樣應力（δ，圖b），橫坐標為試驗時間。

圖1：設(shè)備在不同階段的應力控制與應變控制情況??

接下來我們分享兩個較為重要的試驗數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)一

下圖是不同停留時間以及對應應力下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣峰值拉伸應力的變化情況。圖中展示了140MPa（a）、150MPa（b）、160MPa（c）、170MPa（d）四種應力以及300秒（圖中黑色線）、600秒（圖中紅色線）、1800秒（圖中藍色線）四種停留時間與純疲勞加載（PF，圖中綠色線）的對比。圖表橫坐標為HCFI循環(huán)次數(shù)（N），縱坐標為試樣最大拉伸應力（MPa）。

圖2：不同停留時間和停留應力下HCFI試驗的峰值拉伸應力變化情況

從圖中可以看出，在停留時間恒定的情況下，停留期間應力越大，試樣的蠕變應變增加得越快；同樣在停留期間應力相同的情況下，停留時間越長，試樣的蠕變應變增加得越快。因此可得出：HCFI試驗中，蠕變應變隨保持應力和停留時間的增加而增加。

數(shù)據(jù)二

下圖分別展現(xiàn)了試驗中在不同的停留時間應力下，循環(huán)周期對試樣蠕變應變速度的影響（左圖），以及不同停留時間應力對試樣半衰期蠕變應變程度的影響（右圖），同時引入傳統(tǒng)的蠕變-疲勞相互作用（CCFI）試驗進行對照。

圖3：HCFI和CCFI試驗的蠕變應變響應??

從左圖中得出：在相同條件下，HCFI中的停留時間應力增大會增加試樣蠕變應變的速度，但CCFI并無此效果。

從右圖中得出：在HCFI的140兆帕保持應力下的蠕變應變（0.084%）與更嚴苛的環(huán)境下（650℃）進行CCFI試驗中的蠕變應變（紅線標記）處于同一個水平。

這體現(xiàn)了HCFI載荷能夠比CCFI載荷引發(fā)更高的蠕變損傷，再次證明了CCFI試驗無法還原HCFI對高溫部件的影響。

通過上述試驗可得出結(jié)論：中機試驗RPL100蠕變-疲勞試驗機完全可以復現(xiàn)高溫部件的真實服役環(huán)境，并完成該條件下部件的力學性能測試。

中機試驗RPL100蠕變-疲勞試驗機適用于高溫合金、難熔金屬、陶瓷、復合材料等多種先進材料及其構(gòu)件在高溫真空、惰性氣體、大氣、腐蝕性煙氣、水氧耦合等多種嚴苛環(huán)境下的長時力學性能測試。其測試能力覆蓋蠕變、持久強度、應力松弛、周期持久、蠕變.疲勞交互、慢速率應力腐蝕、小沖孔蠕變以及氫脆敏感性等一系列關(guān)鍵性能評價項目。

圖4：中機試驗RPL100蠕變-疲勞試驗機結(jié)構(gòu)示意

該設(shè)備通過高精度閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了應變控制與應力控制模式的精準切換與混合加載，能夠高度還原高溫部件在實際啟停與穩(wěn)態(tài)運行中所經(jīng)歷的復雜載荷歷程。這解決了傳統(tǒng)純應變控制試驗中因應力松弛而無法模擬實際應力保持階段的問題，從而在實驗室條件下精準重構(gòu)蠕變-疲勞交互作用（HCFI）環(huán)境。

通過提供長時、穩(wěn)定、可靠的測試數(shù)據(jù)，中機試驗RPL100蠕變-疲勞試驗機打破了傳統(tǒng)試驗方法在模擬真實工況方面的局限，將實驗室測試條件與工程實際服役環(huán)境高度統(tǒng)一，使得材料與構(gòu)件的性能評價更加科學、準確。

該設(shè)備為突破高溫部件長壽命、高可靠性設(shè)計與評價的技術(shù)瓶頸提供了先進的測試裝備保障，是保障重大裝備安全運行、提升先進制造業(yè)核心競爭力的重要技術(shù)基石。

①蠕變-疲勞相互作用：當蠕變和疲勞損傷依次或同時發(fā)生時，一種損傷對另一種損傷的發(fā)展過程將產(chǎn)生一定的影響，從而加速或減緩總損傷，影響材料疲勞壽命，這就是蠕變疲勞交互作用。

②應力（stress）：應力，指物體受到外力而變形時，在其內(nèi)部之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力。

③應變（strain）：應變是物體在外力或非均勻溫度場作用下產(chǎn)生的局部相對變形。

④應力控制：控制單位時間的應力增加量。

⑤應變控制：控制單位時間的局部應變增加量。

⑥應力松弛(stress relaxation)：應力松弛是指構(gòu)件總變形(彈性變形和塑性變形)保持不變，隨蠕變使塑性變形不斷增加，彈性變形相應減少，而應力隨時間緩慢降低的現(xiàn)象。

⑦蠕變（creep）：固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現(xiàn)象。

⑧蠕變應變（creep strain）：蠕變應變是指在恒定應力作用下，材料隨時間延長而產(chǎn)生的塑性變形現(xiàn)象。

END