桑　聰，鄭小濤，文　翔，喻九陽(yáng)，高九陽(yáng)武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430205

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疲勞載荷下高溫波齒復(fù)合墊的蠕變波動(dòng)行為

桑聰，鄭小濤*，文翔，喻九陽(yáng)，高九陽(yáng)
武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430205

摘要：研究了疲勞載荷下柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊的力學(xué)性能和蠕變性能.對(duì)墊片進(jìn)行了373 K和573 K兩種溫度下的循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，基于得到的應(yīng)力-變形量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算壓縮模量和卸載模量分析了其壓縮回彈特性；考慮溫度和金屬骨架厚度的變化，探索了蠕變-疲勞的交互作用對(duì)墊片的影響.研究表明：疲勞載荷下隨著時(shí)間增長(zhǎng)墊片壓縮速率增加，回彈速率減小；在穩(wěn)態(tài)蠕變階段，蠕變-疲勞載荷的交互作用使墊片的蠕變曲線(xiàn)出現(xiàn)周期性波動(dòng)，波動(dòng)周期不隨實(shí)驗(yàn)條件改變而改變.

關(guān)鍵詞：疲勞載荷；柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊；壓縮回彈曲線(xiàn)；蠕變

1　引　言

柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊（下稱(chēng)波齒復(fù)合墊）以其優(yōu)秀的回彈性能和密封性能在承壓設(shè)備和管道密封中的應(yīng)用得到飛速發(fā)展［1］.石墨層的化學(xué)穩(wěn)定性、回彈性能、耐高溫性與金屬骨架波齒的多道線(xiàn)密封的結(jié)合形成的密封性能令人稱(chēng)道，但到目前為止，還沒(méi)有建立波齒復(fù)合墊的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；隨著高溫墊片的發(fā)展，對(duì)高溫下墊片性能的研究得到越來(lái)越多的重視，而與波齒復(fù)合墊相關(guān)的研究尤其是高溫下的實(shí)驗(yàn)研究還需加強(qiáng).由于高溫下墊片的力學(xué)性能，蠕變性能等因素與常溫相比有顯著差異，因此對(duì)不同溫度、不同尺寸的柔性石墨金屬波齒墊片，在疲勞載荷下的力學(xué)性能和蠕變性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)儀器及其性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)春機(jī)械研究院生產(chǎn)的RPL50蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該試驗(yàn)機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

表1　試驗(yàn)機(jī)主要性能參數(shù)Tab. 1 Main performance parameters of testing machine

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1 Experimental apparatus

2.2柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊

按標(biāo)準(zhǔn)GB/T19066?2008［2］，實(shí)驗(yàn)采用公稱(chēng)直徑為DN10的基本型柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊，墊片金屬骨架材質(zhì)為304不銹鋼.具體參數(shù)如表2所示，結(jié)構(gòu)和外觀如圖2所示.

表2　波齒復(fù)合墊尺寸Tab. 2　Dimensions of flexible graphite corrugated metal gaskets　mm

2.3實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)加卸載方案［3］如表3所示.

最小墊片應(yīng)力的選?。簩?shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)循環(huán)加卸載方式進(jìn)行，因高溫及高應(yīng)力的作用，墊片力卸載至很?。ń咏? MPa）時(shí)墊片的石墨層會(huì)粘附在實(shí)驗(yàn)夾具的上下表面，故不宜將應(yīng)力卸載至0 MPa，同時(shí)，為保證最大加卸載應(yīng)力比，根據(jù)多次測(cè)試結(jié)果，選擇卸載至0.7 MPa較為合適.

圖2　基本型波齒復(fù)合墊（a）結(jié)構(gòu)圖；（b）實(shí)物圖Fig. 2　Fundamental form of flexible graphite corrugated metal gaskets

表3　加卸載實(shí)驗(yàn)方案Tab. 3　Scheme of loading and unloading experiment

3　結(jié)果與討論

3.1壓縮模量ELD和卸載模量EUL

操作工況下的墊片應(yīng)力是否滿(mǎn)足使用需要直接影響墊片密封結(jié)構(gòu)的泄漏率［4］，而墊片應(yīng)力由墊片的壓縮-回彈特性決定：由壓縮?回彈曲線(xiàn)（見(jiàn)圖3）可以確定墊片的壓縮階段的彈性模量ELD和卸載階段的彈性模量EUL［5-6］，由ELD和EUL則可以確定墊片應(yīng)力.

式（1）～（2）中：σmax為最大墊片壓縮應(yīng)力，MPa；δmax為σmax對(duì)應(yīng)的墊片壓縮量，mm；σUL為墊片卸載應(yīng)力，σUL＝0.125σmax，MPa；δUL為σUL對(duì)應(yīng)的墊片壓縮量，mm；T0為墊片總厚度，mm.

圖3　波齒復(fù)合墊的單次加卸載壓縮回彈曲線(xiàn)Fig. 3　Single loading and unloading curve of flexible graphite corrugated metal gaskets

圖3中曲線(xiàn)部分表示第一次加卸載過(guò)程波齒復(fù)合墊的壓縮回彈曲線(xiàn)，分別將加載階段曲線(xiàn)和卸載階段曲線(xiàn)簡(jiǎn)化為直線(xiàn)，可以從直線(xiàn)方程中直接提取壓縮模量ELD和卸載模量EUL.顯然，EUL越小，墊片的回彈特性越好.

3.2多次循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)

對(duì)于嚴(yán)苛環(huán)境中承受載荷的螺栓法蘭系統(tǒng)，在評(píng)估系統(tǒng)安全時(shí)，必須考慮蠕變-疲勞交互作用對(duì)材料造成的影響［7］，系統(tǒng)中墊片是重點(diǎn)評(píng)估對(duì)象.實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)循環(huán)加卸載對(duì)波齒復(fù)合墊進(jìn)行研究.

圖4中小窗口部分為加卸載曲線(xiàn)的放大圖，數(shù)字部分（1～1 000）為相應(yīng)曲線(xiàn)的相應(yīng)循環(huán)次數(shù)N.從圖4中可以看出：1）加卸載循環(huán)數(shù)N≥20，加卸載曲線(xiàn)趨于閉合，表示卸載后的殘余變形量的累積很小；2）隨著加卸載循環(huán)數(shù)N的增加，加載階段曲線(xiàn)的斜率減小，卸載階段曲線(xiàn)斜率增加（提取的ELD和EUL數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5），這是由于隨著加卸載循環(huán)數(shù)N的增加，蠕變導(dǎo)致墊片材料的塑形變形引起的.

由圖5可以直觀地看出：1）隨著循環(huán)數(shù)（時(shí)間）的增加，ELD逐漸減小，墊片材料變得更易于壓縮，2）隨著循環(huán)數(shù)（時(shí)間）的增加，EUL逐漸增大，墊片回彈性能變差.

3.3蠕變波動(dòng)

由于實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)加卸載循環(huán)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力相同，通過(guò)分析墊片不同循環(huán)最大應(yīng)力σmax對(duì)應(yīng)的最大位移δmax的變化，同時(shí)分析殘余位移δUL的變化，可以得到蠕變-疲勞交互作用對(duì)墊片性能的影響.

為得到普適的一般規(guī)律，進(jìn)行了大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，并將溫度T和金屬骨架厚度t的變化考慮在內(nèi)，數(shù)據(jù)提取結(jié)果如圖6所示.

圖4　不同溫度波齒復(fù)合墊的加卸載曲線(xiàn)Fig. 4　Loading and unloading curves of flexible graphite corrugated metal gaskets at different temperatures

圖5　波齒復(fù)合墊的ELD和EULFig. 5 ELDand EULof flexible graphite corrugated metal gaskets

從圖6中可以看出，承受相同的疲勞載荷，不同溫度與不同厚度下的柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊，均表現(xiàn)出以下規(guī)律：1）循環(huán)數(shù)N小于200時(shí)為一次蠕變階段（蠕變的減速期）；2）在二次蠕變階段（穩(wěn)態(tài)蠕變），墊片的最大位移δmax出現(xiàn)周期性波動(dòng)式增長(zhǎng)，且波動(dòng)周期TF穩(wěn)定，TF約為400個(gè)循環(huán)；3）墊片的最大位移δmax和殘余位移δUL的變化規(guī)律體現(xiàn)了高度的一致性.

圖6　波齒復(fù)合墊最大位移和殘余位移Fig. 6 Maximum and residual displacement of flexible graphite corrugated metal gaskets

承受疲勞載荷的蠕變?疲勞曲線(xiàn)與承受固定載荷的蠕變曲線(xiàn)的對(duì)比如圖7所示.在承受溫度載荷和疲勞載荷過(guò)程中，疲勞應(yīng)變和蠕變應(yīng)變的產(chǎn)生會(huì)使墊片產(chǎn)生形變硬化，這種硬化會(huì)提升墊片的抗壓縮能力，墊片的蠕變量ε所呈現(xiàn)的波動(dòng)式變化，是蠕變-疲勞的交變作用影響的結(jié)果.

圖7　波齒復(fù)合墊的蠕變波動(dòng)行為Fig. 7　Creep fluctuation behavior of flexible graphite corrugated metal gaskets

4　結(jié)　語(yǔ)

基于實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同溫度及不同厚度的波齒復(fù)合墊進(jìn)行多次循環(huán)加卸載，研究了疲勞載荷下波齒復(fù)合墊的性能表現(xiàn)，得到以下結(jié)論.

1）疲勞載荷下，循環(huán)次數(shù)（時(shí)間）對(duì)波齒復(fù)合墊片的壓縮回彈性能有較大影響，墊片的壓縮速率與循環(huán)次數(shù)（時(shí)間）成正比，壓縮量的回彈速率與循環(huán)次數(shù)（時(shí)間）成反比.

2）疲勞載荷下，不同溫度下波齒復(fù)合墊的蠕變均較明顯.由于蠕變?疲勞載荷的交互作用，波齒復(fù)合墊在穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變量出現(xiàn)周期性波動(dòng)，波動(dòng)周期與溫度和金屬骨架厚度無(wú)關(guān).

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本文編輯：陳小平

Creep Fluctuation Behavior of High Temperature Flexible Graphite Corrugated Metal Gaskets under Fatigue Loading

SANG Cong，ZHENG Xiaotao，WEN Xiang，YU Jiuyang，GAO Jiuyang
School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Abstract：The mechanical and creep properties of flexible graphite corrugated metal gaskets were studied. The cyclic loading tests of gaskets at temperatures of 373 K and 573 K were conducted. Based on the measured stress?strain data and the calculation of compression modulus and unloading modulus，the compression resil?ience characteristics of the gaskets were analyzed. Considered the influence of the temperature and the thick?ness，the effects of interaction between creep and fatigue on the gaskets were explored. The result shows that the compression rate of the gaskets increases and the resilience rate of the gaskets decreases with the increasing of time under fatigue load；in the steady creep stage，the creep curve of the gasket appears cyclical fluctuations under the interaction between creep and fatigue，which has no relation with the experiment conditions.

Keywords：fatigue load；flexible graphite corrugated metal gaskets；compression resilience curve；creep

*通訊作者：鄭小濤，博士，副教授. E-mail：xiaotaozheng@163.com

作者簡(jiǎn)介：桑聰，碩士研究生. E-mail：1051556478@qq.com

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃（Q20131506）；武漢工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX2014038）

收稿日期：2015-11-01

文章編號(hào)：1674 - 2869（2016）01 - 0078 - 04

中圖分類(lèi)號(hào)：TB125

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10. 3969/j. issn. 1674?2869. 2016. 01. 014