极端环境专栏（二） | 中机试验RPL100蠕变-疲劳试验机为高温部件可靠性保驾护航

原创 2026-02-09 00:00:00 · 中机试验 · 中机试验

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行业背景

长期在高温环境下工作的部件（以下简称：高温部件）常因受到一种温度与载荷的复合作用而过早失效。这种复合作用被称为“蠕变-疲劳相互作用（CFI）^①”，是导致高温环境下部件过早失效的一个重要因素。

在航空航天以及电力等行业的实际工作环境中，高温部件在启动和关闭时会因热瞬态而经历应变控制^④的疲劳循环，而在其稳定运行期间（停留时间）则承受应力控制^⑤的稳定载荷。

由此看来，高温部件的实际加载条件是“应力和应变控制的蠕变-疲劳相互作用（以下简称：HCFI）”的混合加载。

问题发现

如何评定受“蠕变-疲劳相互作用”影响的高温部件的力学性能？

我们通常会采用传统的蠕变-疲劳相互作用（以下简称：CCFI）试验。但要注意的是，该试验通常仅通过应变控制进行，使得试验在停留时间出现应力松弛^⑥而非应力控制，这导致其无法还原高温部件在HCFI停留时间因受到应力控制而产生的蠕变应变（ε_c）^⑧，偏离高温部件的真实服役条件，影响试验结果对材料实际性能的评定。

是否能够在实验室中尽可能还原高温部件在实际工况中的HCFI加载条件呢？下面我们通过一个实践案例来找寻答案。

实践案例

近日，南京理工大学机械与动力工程学院使用中机试验装备股份有限公司研制的RPL100蠕变-疲劳试验机（以下简称：设备），进行了完整的HCFI试验。

试验时，RPL100蠕变-疲劳试验机通过控制器在应变控制的疲劳循环结束后的卸载过程中，将试样的控制模式按照预先设置的停留期间保持应力转变为应力控制，模拟了实际工况中的两种不同负载控制模式，即循环加载期间的应变控制模式和停留或稳定加载期间（停留时间）的应力控制模式，还原了高温部件在实际工况中受到的HCFI混合加载模式。

下图体现了设备在不同阶段的应力控制与应变控制情况，蓝线代表HCFI试验中由应变控制的疲劳循环阶段，红线代表应力控制的保持阶段，图中纵坐标分别为试样的蠕变应变（ε，图a）以及试样应力（δ，图b），横坐标为试验时间。

图1：设备在不同阶段的应力控制与应变控制情况👆

试验数据分享

接下来我们分享两个较为重要的试验数据。

数据一

下图是不同停留时间以及对应应力下，随着循环次数的增加，试样峰值拉伸应力的变化情况。图中展示了140MPa（a）、150MPa（b）、160MPa（c）、170MPa（d）四种应力以及300秒（图中黑色线）、600秒（图中红色线）、1800秒（图中蓝色线）四种停留时间与纯疲劳加载（PF，图中绿色线）的对比。图表横坐标为HCFI循环次数（N），纵坐标为试样最大拉伸应力（MPa）。

图2：不同停留时间和停留应力下HCFI试验的峰值拉伸应力变化情况

从图中可以看出，在停留时间恒定的情况下，停留期间应力越大，试样的蠕变应变增加得越快；同样在停留期间应力相同的情况下，停留时间越长，试样的蠕变应变增加得越快。因此可得出：HCFI试验中，蠕变应变随保持应力和停留时间的增加而增加。

数据二

下图分别展现了试验中在不同的停留时间应力下，循环周期对试样蠕变应变速度的影响（左图），以及不同停留时间应力对试样半衰期蠕变应变程度的影响（右图），同时引入传统的蠕变-疲劳相互作用（CCFI）试验进行对照。

图3：HCFI和CCFI试验的蠕变应变响应👆

从左图中得出：在相同条件下，HCFI中的停留时间应力增大会增加试样蠕变应变的速度，但CCFI并无此效果。

从右图中得出：在HCFI的140兆帕保持应力下的蠕变应变（0.084%）与更严苛的环境下（650℃）进行CCFI试验中的蠕变应变（红线标记）处于同一个水平。

这体现了HCFI载荷能够比CCFI载荷引发更高的蠕变损伤，再次证明了CCFI试验无法还原HCFI对高温部件的影响。

结论

通过上述试验可得出结论：中机试验RPL100蠕变-疲劳试验机完全可以复现高温部件的真实服役环境，并完成该条件下部件的力学性能测试。

中机试验RPL100蠕变-疲劳试验机

中机试验RPL100蠕变-疲劳试验机适用于高温合金、难熔金属、陶瓷、复合材料等多种先进材料及其构件在高温真空、惰性气体、大气、腐蚀性烟气、水氧耦合等多种严苛环境下的长时力学性能测试。其测试能力覆盖蠕变、持久强度、应力松弛、周期持久、蠕变.疲劳交互、慢速率应力腐蚀、小冲孔蠕变以及氢脆敏感性等一系列关键性能评价项目。