張雷 樊志斌 袁奕琳

摘要：本文利用XJMF－500型微機(jī)控制墊片綜合性能試驗(yàn)機(jī)對(duì)304不銹鋼和TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片在不同條件（實(shí)驗(yàn)溫度400℃、500℃和600℃，應(yīng)變速率0.25MPa·s－1、0.5MPa·s－1和1.0MPa·s－1）下進(jìn)行測(cè)試獲得壓縮回彈應(yīng)力—應(yīng)變曲線，研究了不同實(shí)驗(yàn)溫度和應(yīng)變速率對(duì)TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片壓縮回彈性能的影響，構(gòu)建了TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的壓縮—回彈本構(gòu)模型。結(jié)果表明，TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片在壓縮載荷下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)新月形；在相同的應(yīng)變速率下，壓縮—回彈性能有著明顯的溫度相關(guān)性，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，壓縮率和回彈率相應(yīng)增加，且大于304不銹鋼柔性石墨復(fù)合墊片；在相同的實(shí)驗(yàn)溫度下，TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的壓縮—回彈性能具有明顯的率相關(guān)性，隨應(yīng)變速率的減小，復(fù)合墊片的壓縮率和回彈率逐漸增加。TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的非線性壓縮—回彈性能可以較好地預(yù)測(cè)其模型，該模型在不同溫度與應(yīng)變速率下表現(xiàn)出了較強(qiáng)的優(yōu)越性，在金屬柔性石墨復(fù)合墊片的工程設(shè)計(jì)方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：TiNi合金；柔性石墨；壓縮—回彈曲線；溫度；應(yīng)變速率；本構(gòu)模型

DOI：10.12433/zgkjtz.20232833

基金項(xiàng)目：寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)暨“246”產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展支撐引領(lǐng)計(jì)劃項(xiàng)目

項(xiàng)目編號(hào)：2020Z111

法蘭密封結(jié)構(gòu)在設(shè)備、管道的連接中得到廣泛應(yīng)用，其可靠性不僅關(guān)系到設(shè)備的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，而且涉及能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的問題。在設(shè)備運(yùn)行參數(shù)不斷提高的情況下，尤其在航空航天、核工業(yè)、石油化工、電站等行業(yè)，法蘭密封結(jié)構(gòu)的高溫、高壓苛刻使役條件的可靠性面臨著重大挑戰(zhàn)，對(duì)泄漏率等性能的要求也變得更高。柔性石墨由于高耐候、抗輻射、低膨脹和良好的自潤(rùn)滑性而得到廣泛應(yīng)用，被譽(yù)為“當(dāng)代密封之王”。但柔性石墨的多孔性、吸油性和低強(qiáng)度等缺點(diǎn)導(dǎo)致服役中易出現(xiàn)壓潰、散架狀況，嚴(yán)重制約了該材料的推廣應(yīng)用。柔性石墨金屬?gòu)?fù)合墊片兼具石墨和金屬二者的優(yōu)異性能，能形成多道密封，逐漸成為航空航天、石油、化工、汽車和核電等領(lǐng)域極端工況下首選密封材料。TiNi合金是一種具有形狀記憶功能的新型智能材料，超彈性效應(yīng)在奧氏體相下表現(xiàn)良好，同時(shí)具備良好的阻尼性能和耐腐蝕特性。通過使用TiNi形狀記憶合金作為金屬骨架，我們可以利用其超彈性、低密度、低彈性模量、耐高溫和吸振性能以及石墨的柔韌潤(rùn)滑性能，從而制造出具有以下優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合墊片：高壓縮回彈率、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、高承壓能力以及優(yōu)秀的安全可靠性。另外，經(jīng)過輻射處理后，TiNi合金材料展現(xiàn)出卓越的抗腐蝕性能，對(duì)于開發(fā)抗腐蝕密封件具有重要意義。

密封墊片的重要性能指標(biāo)之一是壓縮回彈性能，可以間接反映墊片的密封性能。在不同應(yīng)變速率或?qū)嶒?yàn)溫度的壓縮載荷作用下，TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片壓縮回彈性能具有較大差異。周新等人通過研究TiNi合金密封連接結(jié)構(gòu)的泄漏率，發(fā)現(xiàn)了預(yù)緊載荷、介質(zhì)壓力以及溫度的變化規(guī)律。在壓縮載荷作用下，他們發(fā)現(xiàn)鎳鈦合金表現(xiàn)出了超彈性特性。王超杰等研究了TiNi合金在50～200MPa壓縮載荷下的壓縮回彈性能，在低載荷下，壓縮—回彈曲線呈現(xiàn)出線性超彈性特征，而在高載荷下則具有屈服特征或平臺(tái)鋸齒特征。環(huán)境溫度的改變會(huì)影響TiNi合金靜密封件的壓縮回彈性能，研究人員LU等人揭示了這一現(xiàn)象，并深入探討了壓縮回彈性能隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律。仲高超等研究室溫不同預(yù)緊載荷下（100～600MPa）的壓縮回彈力學(xué)性能，并建立相應(yīng)的本構(gòu)方程。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片加卸載速率的壓縮回彈性能缺乏系統(tǒng)的研究，尤其是高溫下載荷的應(yīng)變速率對(duì)波齒復(fù)合墊片的壓縮回彈性能影響的研究。為此，本文選取0.25MPa·s－1、0.01MPa·s－1和1.0MPa·s－1三種應(yīng)變速率分別進(jìn)行400℃、500℃和600℃時(shí)柔性石墨金屬?gòu)?fù)合墊片的壓縮回彈試驗(yàn)，研究不同實(shí)驗(yàn)溫度和應(yīng)變速率對(duì)復(fù)合墊片的壓縮回彈性能的影響，并構(gòu)建壓縮回彈本構(gòu)模型。

一、實(shí)驗(yàn)方法

金屬柔性石墨復(fù)合墊片是在波紋狀金屬板的雙面覆蓋有柔性石墨材料，結(jié)合了金屬的強(qiáng)度和波紋的彈性特性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的金屬柔性石墨復(fù)合墊片的骨架材料分別為TiNi合金和304不銹鋼。

本實(shí)驗(yàn)依據(jù)的是GB/T 12622－2008《管法蘭用墊片壓縮率及回彈率試驗(yàn)方法》，使用的是XJMF－500型微機(jī)控制墊片綜合性能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)開始之前，復(fù)合墊片被加熱到400℃、500℃和600℃，在保溫20min后充分熱膨脹后，再對(duì)試樣施加軸向載荷。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表格1所示，試驗(yàn)選取的復(fù)合墊片應(yīng)力均為平均應(yīng)力，將壓縮載荷定義為正向載荷。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表格1所示，試驗(yàn)選取的復(fù)合墊片應(yīng)力均為平均應(yīng)力，將壓縮載荷定義為正向載荷。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片壓縮—回彈曲線

圖1分別為304和TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片在實(shí)驗(yàn)溫度為400℃、500℃和600℃，應(yīng)變速率為0.25MPa·s－1、0.01MPa·s－1和1.0MPa·s－1條件下的壓縮—回彈曲線。由圖1可知，兩種類型的金屬柔性石墨墊片均表現(xiàn)出新月形應(yīng)力—應(yīng)變曲線關(guān)系特征，這種現(xiàn)象可能是由于墊片存在輕微的幾何不規(guī)則性所引起的，這種不規(guī)則性通常被設(shè)計(jì)用于墊片以確保良好的壓縮回彈性能。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)條件為400℃、－1.0MPa·s－1時(shí)，TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的壓縮率和回彈率分別為50.1%和19.4%，遠(yuǎn)高于304柔性石墨復(fù)合墊片（33.7%和10.7%）；隨應(yīng)變速率的減小，復(fù)合墊片的壓縮率和回彈率逐漸增加，400℃、－0.25MPa·s－1時(shí)，TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的壓縮率和回彈率分別為52.8%和21.2%。隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的壓縮率和回彈率也相應(yīng)增加。600℃時(shí)，0.25MPa·s－1、

0.01MPa·s－1和1.0MPa·s－1條件下TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的壓縮率和回彈率分別可達(dá)52.8%、54.2%、55.9%和20.6%、21.2%、21.5%。

（二）TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片壓縮—回彈本構(gòu)模型

以峰值應(yīng)力為分界點(diǎn)，金屬柔性石墨墊片的壓縮—回彈曲線可分為壓縮階段和回彈階段，這兩個(gè)階段的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系具有明顯的差異。對(duì)于曲線的壓縮階段，可定義應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為：

（1）

式中，為應(yīng)力值；為應(yīng)變值；為溫度—應(yīng)力速率影響因素；為應(yīng)變速率（0.25MPa·s－1、0.5MPa·s－1和1.0MPa·s－1）；A為實(shí)驗(yàn)溫度（400℃、500℃和600℃）；n為與材料相關(guān)的系數(shù)。

在壓縮—回彈曲線的回彈階段，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系也取決于材料的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變，可定義為：

（2）

式中，為峰值應(yīng)力；為峰值應(yīng)變；B、m為與材料相關(guān)的系數(shù)。當(dāng)時(shí)，公式（1）的峰值應(yīng)變可表示為：

（3）

將公式（3）代入公式（2）可得回彈階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：

（4）

、分別被定義為應(yīng)變速率影響因子與溫度影響因子，描述了峰值應(yīng)變與應(yīng)變速率以及實(shí)驗(yàn)溫度的變化關(guān)系，溫度—應(yīng)力速率影響因子可表示為：

（5）

影響因子可根據(jù)其它溫度和應(yīng)力速率與基準(zhǔn)曲線的關(guān)系進(jìn)行修正，修正的原則是先選擇一條基準(zhǔn)曲線，將其在某一溫度和應(yīng)力速率下的影響因子設(shè)定為1，然后根據(jù)其他溫度和應(yīng)力速率與基準(zhǔn)曲線的差異來設(shè)定相應(yīng)的因子值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出不同溫度下的峰值應(yīng)變與基準(zhǔn)溫度下的峰值應(yīng)變之比，以及不同應(yīng)力率下的峰值應(yīng)變與基準(zhǔn)應(yīng)力率下的峰值應(yīng)變之比。接著通過散點(diǎn)圖進(jìn)行非線性曲線擬合，得到這些比值與溫度和應(yīng)力率之間的關(guān)系。將這兩個(gè)關(guān)系相乘，我們就可以得到最終的結(jié)果。最后，我們將這個(gè)結(jié)果代入公式（1）和公式（4）中，得到壓縮階段和回彈階段的模型曲線。

定義應(yīng)變速率為0.5 MPa·s－1時(shí)的影響因子值為1。根據(jù)曲線擬合結(jié)果可知，應(yīng)變速率影響因子隨應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)冪函數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，304和TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的應(yīng)變速率影響因子具體函數(shù)表達(dá)式分別為：

（6）

（7）

304和TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的溫度影響因子具體函數(shù)表達(dá)式分別為：

（8）

（9）

將公式（6）～（9）代入公式（5）中得到304和TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的溫度—應(yīng)力速率影響因子：

（10）

（11）

在實(shí)驗(yàn)溫度為500℃，應(yīng)力速率為0.5MPa·s－1條件下，從壓縮階段選取若干個(gè)應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)，在固定溫度和應(yīng)力速率影響因子值為1的情況下，構(gòu)建符合公式（1）的函數(shù)，并依據(jù)擬合曲線得出A和n的數(shù)值。根據(jù)擬合結(jié)果可得304和TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的A和n值分別為A304=1.157×10－5、n304=4.123和ATiNi=3.685×10－6、nTiNi=4.113。在回彈階段，有一組應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)，我們可以在相同溫度和應(yīng)力速率條件下選擇這些數(shù)據(jù)點(diǎn)，并構(gòu)建一個(gè)符合公式（4）的函數(shù)。通過擬合這個(gè)函數(shù)，我們可以得出B和m的數(shù)值。根據(jù)擬合結(jié)果可得304和TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的B和m值分別為B304=2.561、m304=59.92和BTiNi=0.8407、mTiNi=23.36。

根據(jù)之前提到的兩種材料，304和TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片，壓縮回彈本構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。通過觀察圖2，我們可以發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常符合，因此，可用于預(yù)測(cè)TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片在不同溫度和應(yīng)力速率作用下的壓縮—回彈性能。

三、結(jié)語

本文利用XJMF－500型微機(jī)控制墊片綜合性能試驗(yàn)機(jī)對(duì)304不銹鋼和TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片在不同條件（實(shí)驗(yàn)溫度400℃、500℃和600℃，應(yīng)變速率0.25MPa·s－1、0.5MPa·s－1和1.0MPa·s－1）下進(jìn)行測(cè)試獲得壓縮回彈應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建304不銹鋼和TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的壓縮—回彈本構(gòu)模型。得出的主要結(jié)論如下：

第一，TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片在受到壓縮載荷時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系呈現(xiàn)出新月形的特征。這種現(xiàn)象可能是由于墊片設(shè)計(jì)時(shí)采用了不規(guī)則的幾何形狀，這種設(shè)計(jì)通常是為了保持墊片良好的壓縮回彈性能。

第二，在相同的應(yīng)變速率下，TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的壓縮—回彈性能具有明顯的溫度相關(guān)性。隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，壓縮率和回彈率相應(yīng)增加，且遠(yuǎn)大于相同條件下的304不銹鋼柔性石墨復(fù)合墊片。

第三，在相同的實(shí)驗(yàn)溫度下，TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的壓縮—回彈性能有著明顯的率相關(guān)性。隨應(yīng)變速率的減小，復(fù)合墊片的壓縮率和回彈率逐漸增加。600℃時(shí)，0.25 MPa·s-1、0.01 MPa·s-1和1.0 MPa·s-1條件下，壓縮率可達(dá)52.8%、54.2%和55.9%，回彈率可達(dá)20.6%、21.2%和21.5%。

第四，根據(jù)TiNi合金柔性石墨復(fù)合墊片的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的特定特點(diǎn)，建立了壓縮階段與回彈階段的本構(gòu)模型。這個(gè)模型可以很好地預(yù)測(cè)該墊片在不同溫度和應(yīng)力率工作條件下的非線性壓縮—回彈性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]Muhammad Abid，Ayesha Khan，David Hugh Nash，et al.Optimized Bolt Tightening Strategies for Gasketed Flanged Pipe Joints of Different Sizes[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，2016，139-140：22-27.

[2]劉炎，陳學(xué)東，范志超，等.基于泄漏率的法蘭密封結(jié)構(gòu)墊片參數(shù)試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2020，56（21）：168-176.

[3]N.RinoNelson.Effective Modeling of Spiral Wound Gasket with Graphite Filler in Gasketed Flange Joint Subjected to Bending Loads[J].Materials Today：Proceedin-gs，2021（44）：2199-2204.

[4]E.Solfiti，F(xiàn).Berto.A Review on Thermophysical Properties of Flexible Graphite[J]. Procedia Structural Integrity，2020（26）：187-198.

[5]滕加莊，陳慶.W形柔性石墨金屬纏繞墊片壓縮—回彈性能試驗(yàn)與優(yōu)化研究[J].科技資訊，2016，14（18）：64-65.

[6]陳一哲，楊雨卓，彭文鵬，等.形狀記憶合金的應(yīng)用及其特性研究進(jìn)展[J].功能材料，2022，53（05）：5026-5038.