基于漏斗试样的C250钢高温扭转低周疲劳行为

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAslrOnauticaSinicaFeb．252016VoI．37No．2617．625lSSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb垣》buaa．edu．cnDOI：10．7527／S1000一6893．2015．0042基于漏斗试样的C250钢高温扭转低周疲劳行为赵兴华1，蔡力勋1’*，包陈1，江志华21．西南交通大学力学与工程学院应用力学与结构安全四川省重点实验室，成都6100312．中航工业北京航空材料研究院，北京100095摘要：C250

2、钢的扭转疲劳破坏是其主要失效形式之一。为了获得航空材料C250钢的扭转疲劳特性，并消除等直圆棒试样在扭转试验中产生的弊端，依据漏斗试样完成了C250钢在3种高温(150、200、350℃)环境下的扭转低周疲劳试验，获得了在扭转低周疲劳下的扭矩一名义扭转角曲线。基于试验结果，利用FAT方法分析得到了C250钢在3种高温环境下的材料循环本构关系，利用该循环本构关系对漏斗试样进行三维扭转有限元分析，获得漏斗根部剪切应力与扭矩之间的转换公式及漏斗根部剪切应变与名义扭转角之间的转换公式。基于以上试验与分析方法，得到了材料的剪切应变幅一倍循环次数曲线、剪切

3、应力幅一循环分数曲线以及剪切应力一剪切应变的稳定滞回线，发现材料呈现出循环软化特性，并基于Manson—Coffin模型对材料寿命进行了分析。关键词：扭转低周疲劳；有限元辅助测试方法；C250钢；漏斗试样；扭转特性；Manson—Coffin模型中图分类号：V216．3；0348文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)02一061709扭转疲劳问题广泛存在于汽车、火车轮轴，发动机曲轴及航空领域的各种凸轮轴、齿轮轴等关键部件中。目前，对扭转疲劳的研究多集中于高周应力疲劳[1‘4]，对低周应变疲劳的研究特别是高温低周疲劳研究[5‘61

4、相对较少。传统扭转低周疲劳通过对等直试样施加循环扭应变完成[7‘1⋯。根据平面假设和vonMises等效原理，扭转的循环应力应变可以直接转换到轴向循环的应力应变，但等直试样的扭转试验仍存在若干问题。首先，等直试样细长比相对较大，要达到足够的剪应变需要有很大的扭转角度，这样不仅大大降低了加载频率，也容易影响应变控制下引伸计的夹持稳定性；其次，在高温条件下由于存在增长的高温引伸加持部件，采用等直试样使得试验机作动器总扭转角更大，试验周期更长，循环稳定性降低；另外，扭转疲劳需了解材料循环本构关系[11。14]，而按传统获取循环本构关系的方法则需要另外

5、完成较多单轴试样的轴向疲劳试验，使得扭转疲劳试验不易实现分析。C250钢具有较高强度和良好延性，被广泛应用于水翼船支架等民用领域及飞机起落架、各种轴类零件、铀浓缩用离心分离机的旋转桶、导弹壳体、火箭发动机壳体等领域[15。16]。此类构件承受扭转疲劳或弯扭疲劳而破坏，因此材料扭转疲劳行为的研究对结构安全设计有重要意义。采用漏斗试样进行低周扭转疲劳研究，可以有效解决等直圆棒试样扭转角过大导致应变引伸计存在的应变测控稳定性问题；同时，由于危险截面为漏斗根部的唯一截面，其高温均匀性容易保证。本文采用蔡力勋研究组发展的FAT(Finite一收稿日期：2

6、014—12—26；退修日期：2015—01．16；录用日期：2015—02—05；网络出版时间：2015．02—1210：41网络出版地址：w、Ⅳw．cnki．net／kcms／detail／11．1929v．201502121041．004．html基金项目：国家自然科学基金(11472228)；四川省青年科技创新研究团队(2013TD0004)*通讯作者．Tel：028·87600850E·mai

7、：lix—cai@263．net引用格武I赵兴华．蔡力勋．包睬．等．基f漏4试样的c250钢高温扭转低周疲劳行为[JI。航空学援．2016．3

8、7(2)：617．625zHAoXH，cA

9、Lx．BAoc．eta

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13、efati雕ebehaViorolc250st∞

14、ustn9fume

15、soecimensate

16、evatedtemoeralureLJj．AclaAeronauticaetAstr∞auticasinlca。28{6．37(2)：6{7-625．航空学报Feb．252016VOI．37No．2element—analysisAidedTesting)方法[17‘18]，以扭转疲劳试验获得的循环载荷一角度曲线为判据，以材料单轴应力一应变关系为初

17、始本构关系进行迭代计算，可基于漏斗试样循环试验关系得到材料循环本构关系，实现名义测试扭应变和漏斗根部横截面径向剪切应力、剪切应变的转换，进而可以实现扭