转子联接螺栓的蠕变及蠕变寿命分析

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转子联接螺栓的蠕变及蠕变寿命分析

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蠕变疲劳寿命

蠕变疲劳寿命蠕变疲劳寿命是材料科学领域的一个重要概念，它指的是材料在长期受到持续加载下出现蠕变现象的时间。

蠕变是一种渐进性的损伤过程，它会导致材料的塑性变形和疲劳破坏。

蠕变疲劳寿命是评估材料在高温和高应力环境中使用寿命的重要指标。

对于工程师和材料科学家来说，了解和预测材料的蠕变疲劳寿命至关重要。

首先，我们需要了解材料的组成和结构对蠕变疲劳寿命的影响。

不同材料的晶体结构和晶界结构会影响材料的蠕变行为。

材料中的晶体缺陷和析出物也会对材料的蠕变行为产生影响。

因此，通过对材料的组织结构和化学成分的分析，可以预测材料的蠕变疲劳寿命。

材料的应力状态和温度也是影响蠕变疲劳寿命的重要因素。

高温和高应力环境下，材料的蠕变行为更为明显。

在这种条件下，材料的结构会发生变化，晶粒会长大，晶界会发生扩散，从而导致材料的蠕变疲劳寿命减少。

因此，合理控制材料的应力和温度，对延长材料的蠕变疲劳寿命非常重要。

除了材料本身的因素，加载条件也会对材料的蠕变疲劳寿命产生影响。

加载速率、加载周期和加载方式都会对材料的蠕变行为产生影响。

例如，快速加载会导致材料的塑性变形增加，从而减少材料的蠕变疲劳寿命。

因此，合理选择加载条件，可以延长材料的蠕变疲劳寿命。

为了预测和评估材料的蠕变疲劳寿命，科学家们提出了一系列模型和实验方法。

通过实验，可以测量材料在不同温度和应力下的蠕变疲劳寿命。

然后，可以将实验数据与模型进行比对，从而预测材料在其他条件下的蠕变疲劳寿命。

这些模型和实验方法为工程师提供了重要的参考，帮助他们设计和选择适用于高温和高应力环境的材料。

蠕变疲劳寿命是评估材料在高温和高应力环境中使用寿命的重要指标。

了解和预测材料的蠕变疲劳寿命对于工程师和材料科学家来说至关重要。

通过研究材料的组织结构、化学成分和加载条件，可以预测和延长材料的蠕变疲劳寿命。

这些研究成果为工程实践提供了重要的指导，帮助我们设计和选择更耐用和可靠的材料。

论螺栓副被夹持物的蠕变（螺栓预紧力的自然松弛）

论螺栓副被夹持物的蠕变（螺栓预紧力的自然松弛）螺栓被紧固后，安安静静地放着，螺栓预紧力也会逐渐下降。

按照美国宇航局（NASA）2012年执行的STD-5020标准要求，如果螺栓副的被夹持物为可认为是刚体，那么结构设计师须按照110%的设计预紧力来控制螺栓预紧力的最终使用值，并以此确定螺栓的紧固工艺（有需要NASA 5020-STD标准原文的，可以加微信，然后告知群主，获取）。

那么螺栓在紧固后为何会松弛呢？原因有如下几个：1、螺栓第一扣螺纹会承载45%-50%的预紧力，设想一下，一个额定预紧力达70千牛的螺栓副，其第一扣螺纹就要承载近35KN的力，就那么一小圈螺纹的面积，就不难想象第一扣螺纹是进入到塑性区了，在这么大的应力下进入了塑性变形区的第一扣的螺纹逐渐会发生蠕变。

那么对于夹持可认为为刚体的螺栓副，其螺栓预紧力下降的趋势大致可以定量吗？答案是可以，依据我们的试验，第一天螺栓预紧力会下降8%-9%，然后一个星期后，下降至10%，再往后就基本稳定了（所以可见，NASA STD 5020的标准是经过试验验证的，很科学，实践是检验真理的唯一标准）。

关于螺栓预紧力长期变化的研究，最变态的是：我曾读过一篇论文，是美国一个海军实验室做的实验，长期监测螺栓预紧力变化，每个月测一次，长达30年，这是用生命在研究螺栓吗？还是对人类耐心的一次试验？2、螺栓副的夹持物认为是刚体，这个假设本身也存在问题；其实呢，世间哪有绝对的刚体啊，就算是钢铁也不完全是刚体，这主要来自被夹持物表面在细观（小于宏观，大于微观）这个维度，被夹持物表面总是凸凸凹凹的，两个夹持物碰在一起，难免凸凸碰凸凸，这可以理解为不是面接触而是一个一个的点接触，那么这一对一对的接触点，其产生的应力是相当大的，就会在接触点处发生塑性变形，宏观上通常叫做“压溃”（这个“压溃”的词，和这个解释，是金风科技的郑国龙工程师在一次技术交流中告诉我的，让我受益匪浅，钦佩不已，关于郑工，在以后法兰螺栓预紧力管理的文章中还会提到，感谢郑工让我因学到了知识而欣然）。

高温合金螺栓蠕变失效分析

高温合金螺栓蠕变失效分析
亓婧;李因田;刘小辉;屈定荣;单广斌
【期刊名称】《安全、健康和环境》
【年(卷),期】2015(015)005
【摘要】针对高温螺栓的蠕变变形失效,通过组织成分和表面形貌分析查找材料塑性下降、蠕变失效的原因,并从控制元素含量和热处理工艺方面提出了应对措施.【总页数】3页(P47-49)
【作者】亓婧;李因田;刘小辉;屈定荣;单广斌
【作者单位】中国石化安全工程研究院,山东青岛266071;中国石化青岛石油化工有限责任公司,山东青岛266043;中国石化安全工程研究院,山东青岛266071;中国石化安全工程研究院,山东青岛266071;中国石化安全工程研究院,山东青岛266071
【正文语种】中文
【相关文献】
1.1.25Cr0.5Mo钢疲劳蠕变及免于蠕变失效分析 [J], 范志超;陈学东;陈凌;蒋家羚
2.转子联接螺栓的蠕变及蠕变寿命分析 [J], 李玲;宋迎东;黄旭仁
3.高温合金的蠕变及疲劳-蠕变-环境交互作用规律和机理 [J], 郭建亭;袁超;侯介山
4.变形高温合金缺口试样静蠕变和循环蠕变断口分析 [J], 周光华
5.Mg对高温合金蠕变性能及蠕变裂纹扩展的影响 [J], 金农;仲增墉
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蠕变分析实例

图2
坐标轴设置对话框
ห้องสมุดไป่ตู้3
时间为 1000 小时的轴向应力结果显示
ANSYS 显示窗口将显示螺栓的有限元图，如图 1。
图1 五、施加载荷
螺栓有限元模型图
1) 施加位移约束。选择 Preprocessor → Loads → Define Loads → Apply → Structural→Displacement→On Nodes 命令, 出现 Apply U, ROT on Nodes 拾取菜单，单击 Pick All 和 OK，在 Lab2 DOFs to be contrained 复选框中选择 All DOF, 取 VALUE Displacement value 为 0。 2) 施加温度。选择 Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Temperature→Uniform Temp 命令，取 Uniform Temperature 为 900。六、求解计算 1) 定义分析类型。分析类型为 Static。 2)选择 Solution→Load Step Opts→Solution Ctrl 命令，出现 Nonlinear Solution Control 对话框，使 Solution Control 状态从 ON 变为 OFF，在 Pressure load stiffness 下拉菜单中选择 Program Chosen。 3) 定义求解时间步。选择 Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time and Substps 命令，取 Time at end of load step 为 3600000，取 Number of substeps 为 100，并选中 Stepped, 其余采用默认设置。 4) 求解输出控制。选择 Solution → Load Step Opts → Output Ctrls → Solu Printout 命令，在 Item for printout control 下拉菜单中选择 Basic quantities，并选中 Every Nth substp, 取 N 值为 36000，Component name 为 All entities。 5) 写入数据库和结果文件控制。选择 Solution → Load Step Opts → Output Ctrls→DB/Result Files 命令，在 Item to be controlled 下拉菜单中选择 Element solution, 并选中 Every Nth substp, 取 N 值为 1，Component name 为 All entities。 6) 选择 Solution→Solve→Current LS 命令，单击 OK, ANSYS 将开始求解计算，求解结束时，出现 Note 对话框。七、查看求解结果 1) 轴向应力和时间变化关系曲线显示 ·定义时间-历程变量。选择 TimeHist Postpro→Define Variables 命令，单击 Add 按钮，选中 by seq no.,单击 OK 按钮，出现单元拾取菜单，在输入栏

风力发电机塔筒法兰与基础环连接处高强度螺栓疲劳寿命分析

风力发电机塔筒法兰与基础环连接处高强度螺栓疲劳寿命分析风力发电机塔筒法兰与基础环连接处高强度螺栓疲劳寿命分析1. 引言风力发电机作为一种可再生能源设备，近年来被广泛应用于世界各地。

塔筒是风力发电机的重要组成部分，它承载着风机的转子与发电机的主要负荷。

塔筒与基础环之间的连接处由高强度螺栓固定，以提供稳定而可靠的支撑。

然而，由于长期在恶劣环境下运行，这一连接处容易出现疲劳破坏，影响风力发电机的安全运行。

因此，对于塔筒法兰与基础环连接处的高强度螺栓疲劳寿命进行分析具有重要意义。

2. 高强度螺栓的疲劳寿命高强度螺栓的疲劳寿命是指在周期性加载作用下，材料发生疲劳失效之前能够承受的循环载荷次数。

疲劳寿命与材料的强度、工作载荷、应力集中程度以及环境因素有关。

在风力发电机塔筒与基础环的连接处，由于塔筒的振动与风荷载的作用，高强度螺栓的应力集中程度较高，容易导致疲劳失效。

3. 力学模型与有限元分析为了分析高强度螺栓的疲劳寿命，可以采用力学模型与有限元分析的方法。

首先，建立塔筒与基础环连接处的力学模型，考虑到塔筒的振动与外部风力荷载，计算连接处的应力分布。

然后，利用有限元分析方法对连接处进行模拟，通过加载相应的载荷，计算螺栓所承受的应力和变形。

最后，根据高强度螺栓的材料力学性能，结合S-N曲线，计算螺栓的疲劳寿命。

4. 外环境因素的影响除了考虑力学因素外，外界环境也对高强度螺栓的疲劳寿命产生影响。

例如，塔筒所处的气候环境、湿度、温度等因素都可能引起螺栓的腐蚀与氧化，进而降低其疲劳寿命。

因此，在分析高强度螺栓的疲劳寿命时，还需要考虑这些外环境因素的影响。

5. 结果与讨论通过力学模型与有限元分析，得到了高强度螺栓在实际工作条件下的应力和变形分布。

根据高强度螺栓的材料性能以及外界环境因素，计算出了螺栓的疲劳寿命。

结果表明，塔筒法兰与基础环连接处的高强度螺栓在设计寿命内能够满足要求，保证了风力发电机的安全运行。

6. 结论本研究通过力学模型与有限元分析的方法，对风力发电机塔筒法兰与基础环连接处的高强度螺栓疲劳寿命进行了分析。

螺栓联接蠕变松弛有限元分析_徐浩

螺栓联接蠕变松弛有限元分析徐浩，王崴，马跃（空军工程大学防空反导学院，陕西西安710051）来稿日期：2012-11-14基金项目：国家自然科学基金（51075395）作者简介：徐浩，（1988-），男，湖南益阳人，硕士研究生，主要研究方向：装备装配性能衰退机理研究；王崴，（1974-），男，副教授，硕士生导师，主要研究方向：装备装配性能的形成和衰退机理研究1引言螺栓联接作为应用最广泛的机械装配方法，它的松弛会使机械装备在运行过程中产生剧烈振动，甚至有可能造成安全事故。

近年来，随着航空航天和核能工业的发展，螺栓联接松弛特别是蠕变松弛问题受到越来越广泛的关注。

在国外很早就对这一问题进行了研究，文献[1]指出早在上世纪30年代末，Martin 和一些科研人员就提出了螺栓连接蠕变松弛的解析模型，并根据他们的模型进行求解，再利用有限元仿真校核了模型的正确性。

文献[2]建立了螺栓-法兰-垫片连接系统的数学模型并分别考虑了三者蠕变松弛对联接松弛的影响。

文献[3-4]就螺栓法兰联接的蠕变松弛问题建立了解析模型并用有限元模型对解析模型进行了校核。

文献[5]从材料物理化学属性以及微观结构来考察含钙铝合金螺栓蠕变松弛情况。

国内方面，文献[6]在研究核电设备结构的螺纹联接松动时把蠕变作为联接松动失效的一个主要因素进行了考虑，文献[7]等人在研究管道螺栓法兰连接紧密性时对蠕变情况进行了考虑。

但都缺乏考虑粗糙机械结合面对螺栓联接蠕变松弛的影响。

针对上述问题，利用APDL 语言建立螺栓联接二维轴对称有限元模型，进行螺栓联接蠕变松弛分析，提取结合面的轴向力之和作为残余预紧力来衡量螺栓联接蠕变松弛状况，分析了初始预紧力、时间和粗糙表面对螺栓联接蠕变松弛的影响，研究了螺栓和联接物蠕变对螺栓联接蠕变松弛的作用。

研究结果对螺栓联接蠕变松弛及螺栓拧紧工艺的研究具有一定的指导意义。

2螺栓联接的结构及蠕变系数以M16螺栓为研究对象，建立螺栓联接二维轴对称几何模型，如图1所示。

材料的蠕变寿命材料在高温下蠕变失效的时间

材料的蠕变寿命材料在高温下蠕变失效的时间材料的蠕变寿命：材料在高温下蠕变失效的时间材料在高温下的蠕变失效是工程中一个重要的考虑因素。

蠕变是指在材料受到持续载荷作用下，在高温环境中发生的不可逆形变现象。

它导致材料的力学性能发生变化，甚至可能引发结构的失效。

因此，准确评估材料在高温下的蠕变寿命对于保证工程结构的可靠运行至关重要。

1. 高温蠕变与材料性质材料在高温下的蠕变失效受多种因素的影响，包括温度、载荷、时间以及材料的组织结构和化学成分等。

一般来说，高温蠕变和材料的结晶度、晶粒尺寸、微观缺陷（如晶界、孔洞、夹杂物等）以及元素的扩散速率等密切相关。

在高温环境中，这些因素的相互作用导致材料的蠕变现象。

2. 蠕变曲线和蠕变寿命蠕变曲线是描述材料在高温下蠕变变形的关键参数之一。

它通常由稳态蠕变曲线和瞬态蠕变曲线组成。

稳态蠕变曲线描述了材料在高温下的稳定蠕变行为，而瞬态蠕变曲线则描述了材料在瞬时应力下的瞬态蠕变行为。

蠕变寿命是指材料在高温下能够承受一定应力水平的时间，直到发生失效。

通过研究蠕变曲线和蠕变寿命，可以评估材料在高温环境下的可靠性。

3. 高温蠕变的机理高温蠕变的机理复杂多样，主要包括晶体滑移、晶界滑移、扩散、孔洞成长和亚晶疲劳等。

这些机理导致了材料的变形和应力分布的不均匀，从而引发蠕变现象。

研究高温蠕变的机理有助于深入理解材料的失效机制，进而优化材料的设计和选用。

4. 延长材料蠕变寿命的方法为了延长材料在高温下的蠕变寿命，可以采取多种方法。

一是通过改变材料的组织结构和化学成分，优化材料的抗蠕变性能。

例如，增加材料的晶粒尺寸、提高晶界的强度和稳定性，减少缺陷的数量和尺寸等。

二是控制材料的制备工艺，以减少材料的内部应力和缺陷。

三是采用增强材料的方法，如纤维增强复合材料等，提高材料的强度和耐久性。

通过这些方法的综合应用，可以有效延长材料在高温下的蠕变寿命。

5. 应用领域与展望高温蠕变失效在航空航天、能源、汽车、电子等领域都有着重要应用。

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转子联接螺栓的蠕变及蠕变寿命分析李玲;宋迎东;黄旭仁【摘要】针对涡轴转子联接螺栓的蠕变应变及蠕变寿命问题展开了讨论.建立了简化螺栓连接的二维轴对称有限元模型,选择工程上常用的Norton蠕变本构模型,分析计算了该联接螺栓在不同应力水平、不同温度、不同工作时间的蠕变应变.采用蠕变应变极限法和蠕变持久强度寿命法对联接螺栓在工作温度为300℃时的蠕变寿命进行了估算,并分析了联接螺栓因蠕变应变引起轴向变形对预紧力大小的影响.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2010(000)006【总页数】5页(P75-79)【关键词】涡轴发动机;联接螺栓;蠕变应变;蠕变寿命【作者】李玲;宋迎东;黄旭仁【作者单位】南京航空航天大学,能源与动力学院,江苏,南京,210016;海军航空工程学院,青岛分院,航空机械修理工程教研室,山东,青岛,266041;南京航空航天大学,能源与动力学院,江苏,南京,210016;海军航空工程学院,青岛分院,航空机械修理工程教研室,山东,青岛,266041【正文语种】中文【中图分类】V231.91蠕变是指金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下,发生缓慢塑性变形的行为。

蠕变一般分为蠕变初始阶段、蠕变稳定阶段和蠕变加速阶段3个阶段,如图1所示。

在蠕变初级阶段,形变产生的加工硬化增加了蠕变阻力,使蠕变速率降低;在蠕变稳定阶段,形变硬化增加的蠕变阻力与回复降低的蠕变阻力持平;蠕变加速阶段,试样出现颈缩、空洞和裂纹等缺陷,蠕变速度急剧增加,直至试样断裂。

对于航空发动机构件来说,大量长期工作的零件,其工作应力并不大,断裂不是主要的破坏形式。

为了保证零件的正常工作,在设计中通常要考虑刚度问题,对于转子连接部件来说,正常的使用过程中蠕变断裂一般不会出现,但是由于蠕变应变是一种不可恢复的永久塑性变形,对于转子连接构件的联接螺栓来说,虽然工作温度比较低,蠕变应变的影响很小,但是随着工作时间的持续,这种由于蠕变产生的永久变形,会对转子部件及联接螺栓的预紧力产生影响,使得联接螺栓的初始预紧力降低,进而影响到转子部件的使用寿命,因此,既要考虑联接螺栓的蠕变寿命,又要考虑蠕变应变对预紧力的影响。

图1 典型的蠕变应变曲线发动机工作时,部件的应力状态是热弹塑性加蠕变,即产生疲劳和蠕变,需要考虑两者交互作用下,蠕变会降低循环疲劳寿命。

本文对涡轴发动机转子联接螺栓的分析只考虑蠕变的影响。

对于转子联接螺栓结构来说,最大拉应力都出现在联接螺栓上,在相同情况下,联接螺栓的蠕变应变要比其他部件对轴向预紧力的影响严重得多,因此,本文针对材料为GH4169的联接螺栓在不同温度、应力、时间下的蠕变应变特性展开分析。

1 螺栓材料蠕变模型选取目前,大型商用有限元软件中蠕变分析的蠕变数学模型分为显式模型和隐式模型2类,可以对金属材料的蠕变过程中的前2个阶段进行模拟。

工程上常用且精度较高的是隐式蠕变模型,本文采用Norton蠕变模型(蠕变的第2阶段：C1＞0),本构方程如下式所示：在已知材料蠕变试验的基础上,应用大型有限元分析软件对构件进行蠕变应变计算。

某商用软件提供的13个隐式蠕变模型中,Norton蠕变模型是工程上最常用的,因为需要确定的参数只有3个,即C1、C2、C3,描述的是蠕变率、应力、温度同时作用的蠕变数值模型,Norton蠕变模型针对蠕变的第2阶段进行模拟。

本文采用该模型对某型涡轴发动机转子联接螺栓进行蠕变应变分析。

由隐式蠕变Norton蠕变模型的本构方程可以看出,描述的是蠕变率、应力、温度三者关系。

因此根据材料的蠕变试验曲线,得到该蠕变曲线的近似拟合方程,通过对方程求导,得出特定温度和应力下的蠕变应变率﹒εcr 。

Norton蠕变模型描述的是蠕变过程第2阶段,即蠕变率最小的稳态蠕变阶段,在应变率和时间的关系(﹒ε-t)曲线上,选取蠕变率基本不变时的数值当作该材料蠕变曲线的蠕变应变率﹒ε,其值如表1所示。

表1 GH4169材料蠕变模型计算参数温度/K 应力水平/M Pa 蠕变应变率﹒εc 823.15 920 4.31E-6823.15 965 1.24E-5823.15 995 3.14E-5873.15 730 2.73E-6873.15 780 1.00E-5873.15 815 2.69E-5923.15 500 7.26E-6923.15 5301.10E-5923.15 575 1.07E-4923.15 618 1.37E-4然后,利用最小二乘法确定式(1)中的3个参数。

假定,求参数使得目标函数如(2)式所示：应用Fortran软件进行编程计算,得到3个参数值如下：2 简化联接螺栓的有限元模型对该转子联接螺栓采用二维轴对称建模分析,忽略其他转子部件,把联接螺栓螺纹的连接部分用承受压缩载荷的简化螺母结构代替,联接螺栓的另一端简化为类似凸台的固定端。

采用四节点182单元,通过 Mapped命令进行网格划分,单元数为3532个,节点数为4131个,转子连接结构简化的联接螺栓有限元模型及螺纹部分如图2所示。

3 联接螺栓的蠕变应变的算例分析图2 联接螺栓的有限元模型及螺纹连接部分在图2a所示的联接螺栓的上端面施加轴向约束;在图2b所示的简化螺母上端面施加均布载荷分别为 60 MPa、80 MPa、100 MPa;工作温度分别为600 K 、650K 、700 K 、750 K 、800 K 、850 K;持续时间分别为 1 h 、5 h、10 h。

转子联接螺栓材料在不同温度下的力学性能参数由参考资料[4]给出,100℃和200℃的力学性能通过数据插值得到,如表2所示。

按照作用载荷的不同,对联接螺栓简化模型的蠕变应变和应力进行计算分析。

以在简化螺母上端面施加60 MPa均布载荷为例,分别计算该模型在6种温度3种持续时间下的蠕变应变,其中温度不同且蠕变时间为10 h的蠕变应变方图如图3和图4所示,对于其他时间下的蠕变应变随温度的变化曲线如图5所示。

计算结果表明,第1圈螺纹根部存在应力集中,蠕变应变最大值也出现在该部位。

另外2种应力(80 MPa、100 MPa)下蠕变应变随温度的变化情况如图6和图7所示。

表2 GH4169材料力学性能参数温度T/℃线膨胀系数α/10-6℃-1弹性模量E/GPa 泊松比强度极限σb/MPa 20 13.1 212.5 0.321 1374100 13.2 201.80.323 —200 13.3 188.4 0.326 —300 13.5 175 0.329 12604 联接螺栓的蠕变应变分析通过对联接螺栓有限元模型在不同应力、不同温度、不同持续时间的蠕变应变分析可以看出,蠕变应变受三者的影响都比较大。

在螺纹连接部位的第1圈螺纹根部存在较大的应力集中,该部位蠕变应变明显。

根据计算结果,起动状态和应急状态的温度较低,蠕变基本不发生,因此只计算转子连接结构正常工作时的蠕变应变和蠕变寿命,前、后2段联接螺栓承受的轴向力,分别施加到如图2所示的简化螺母上端面和联接螺栓凸肩上,分别转化为相应圆环面的均布载荷,其值如表3所示,加载后计算该状态下蠕变应变。

表3 联接螺栓载荷表前段联接螺栓轴向力 64616 N 均布类螺母上端面 74 MPa后段联接螺栓轴向力 100102 N 均布联接螺栓凸肩 81 MPa因为该工作状态下联接螺栓的温度仅为200℃左右,蠕变应变很微小,几乎为零,图8所示为工作时间为40 h的联接螺栓螺纹部分的蠕变应变云图。

鉴于正常工作时,联接螺栓螺纹部分的蠕变应变太小,本文另外计算了联接螺栓工作温度为250℃,300℃时6种工作时间下的蠕变应变值,结果如图9所示。

图8 200℃,40 h螺栓螺纹部分蠕变应变尽管联接螺栓工作状态的温度比较低,蠕变应变几乎为零,但因蠕变变形是不能恢复的永久变形,且联接螺栓的轴向尺寸比较大,由蠕变应变引起的轴向变形却不能忽略。

因此当转子联接螺栓工作一段时间后,需要再次拧紧,以保证初始预紧力在恰当的范围内。

图9 联接螺栓工作温度250℃,300℃时的蠕变应变5 联接螺栓的蠕变寿命估算蠕变寿命包括蠕变裂纹形成寿命和蠕变裂纹扩展寿命两部分。

一般地,随着蠕变时间的增加,在构件内部总应力较高部位如三重晶界、沉淀相边界、杂质颗粒边界处会产生空洞,空洞增长并连接,形成微裂纹,当微裂纹尺寸大于n个晶粒尺寸时,材料的微观组织已不成为控制裂纹扩展的主要因素,此时已达到蠕变裂纹形成寿命,从而产生宏观裂纹使构件最终失效,这一阶段为蠕变裂纹扩展阶段。

严格意义上,基于光滑试样数据计算得到的蠕变寿命均为蠕变裂纹形成寿命。

在工程上,为了使计算偏于保守,而且与蠕变裂纹形成寿命相比,裂纹扩展寿命较小,则以裂纹形成寿命作为蠕变寿命。

联接螺栓的最大应力集中一般发生在螺纹根部,该部位处于三维应力状态下,计算应力选择最大主应力,而在可能产生蠕变变形集中的情况下,则采用Von Mises等效应力。

衡量材料蠕变的2个指标,一个是持久强度又称蠕变破坏强度,是从寿命角度提出的指标,把材料在高温下由加载直至破坏所经历的时间,称为破坏时间,又叫蠕变断裂寿命。

另一个指标是限制蠕变变形,在发动机设计中,通常用的办法是在零件寿命期内,允许有1%的蠕变应变。

对于航空发动机构件可以通过2种方式来预测其蠕变寿命。

一是蠕变应变极限法,通过控制构件蠕变应变达到0.1%的时间作为寿命极限,来确定蠕变寿命(即安全使用时间);二是蠕变持久强度预测法,根据材料抵抗蠕变断裂的时间 TR来预测构件的蠕变寿命。

5.1 蠕变应变极限法预测联接螺栓蠕变寿命根据GH4169材料在550℃、600℃、650℃3种温度下的蠕变应力寿命曲线为依据(即表1所示的数值),通过有限元软件建模计算转子联接螺栓在正常工作时,温度为300℃的蠕变应变曲线(如图9所示)。

通过该曲线的变化规律可以看出,工作时间每持续增加50 h,联接螺栓的蠕变应变增加量为0.176×10-12。

由此类推,当蠕变应变达到0.1%时,所需要的时间为284390 h。

5.2 蠕变持久强度预测法对于转子连接结构来说,其蠕变寿命也可以采用持久强度预测法。

通过对资料提供的持久应力-寿命曲线进行数据拟合后,采用最小二乘法计算得出的持久方程(L-M)中的参数与资料所提供的数据差别较大,因此本文采用资料提供的热强参数综合曲线如图10所示,计算特定载荷和温度下的蠕变持久强度。

根据图10,θ是工作温度,单位是摄氏度。

根据该状态P参数的值就可以计算出相应的蠕变寿命TR。

图10 GH4169材料的热强参数综合曲线正常工作且联接螺栓的σmax=951 MPa时,相应的热强参数P=0.202014。

根据公式+32)+460,θ=300℃,即可求得工作状态下的持久寿命(蠕变断裂寿命)为TR=1020176.275h。