蠕變曲線蠕變強度

蠕變強度是指材料在某一溫度下,經(jīng)過一定時間后，蠕變量不超過一定限度時的最大允許應(yīng)力。長期蠕變強度對發(fā)電設(shè)備等長時間使用的高溫結(jié)構(gòu)件來說是最基礎(chǔ)、最重要的材料特性?；鹆Πl(fā)電廠及化工設(shè)備等高溫結(jié)構(gòu)件的設(shè)計，一般參照10萬小時持久強度，但在一部分國家中，也進行以20萬小時持久強度為基礎(chǔ)的設(shè)計。因此，為了維持設(shè)備的高安全性，精良而確切地把握材料長時間蠕變強度特性是很重要的問題。

金屬材料技術(shù)研究所從以上觀點出發(fā)，對于超過40種實際應(yīng)用的耐熱金屬材料，實施了以取得最長到10萬小時蠕變斷裂數(shù)據(jù)為目的的蠕變數(shù)據(jù)計劃。已經(jīng)得到大量長時間蠕變試驗數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行鐵素體系耐熱鋼長期蠕變強度特性系統(tǒng)解析，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)了意義很深刻的知識，將它作為基本蠕變強度概念進行了報導(dǎo)?；w蠕變強度不依賴于細微組織形態(tài)和延續(xù)時間的強度特性。由于第二相的折出，彌散及合金元素的固溶強化或者加工硬化等各種因子而使蠕變強度提高。

但是，在蠕變形成為問題的高溫中，因為發(fā)生擴散活潑化，材料的細微組織狀態(tài)不穩(wěn)定，發(fā)生折出相的凝集粗大化等的恢復(fù)。所以，依賴于細微組織形態(tài)強化因子的效果，隨時間的經(jīng)過而慢慢減少，蠕變強度下降。細微組織只有經(jīng)過完全回火，經(jīng)過充分時間的高溫、長時間，依賴于細微組織形態(tài)的強化因子效果才消失，蠕變強度不依賴于時間的經(jīng)過而成為固有的強度特性。以上的想法是基體蠕變強度概念，是不依賴于細微組織的穩(wěn)定強度特性，即基體蠕變強度。

為了通過試驗求長時間蠕變強度特性，需要很多的勞力和時間，從短時間的外推，高精度的推測是很困難的事。但是，可以想像從基體蠕變強度概念，確切而且容易的評價長時間蠕變強度特性將成為可能。因此，了解基體蠕變強度支配因子是很重要的問題。作為涉及基體蠕變強度的影響因子，認(rèn)為有基體強度、晶粒直徑、氧化物彌散強化。氧化物彌散強化是關(guān)系到極少一部分材料，所以，為了弄清實用材料的基體蠕變強度特性支配因子，著眼于基體強度而研究基體蠕變強度是很重要的問題。

溫度較高時原子的活動能力提高，使得產(chǎn)生塑性變形的位錯滑移更為容易，所以，在較高溫下低于屈服極限的應(yīng)力就足以造成材料塑性變形。隨著材料的塑性變形，加工硬化亦隨之產(chǎn)生，材料開始強化，變形抗力加大，所以：

第一階段：變形速率隨時間而下降。

第二階段：是穩(wěn)態(tài)階段。此時，變形產(chǎn)生的加工硬化和回復(fù)、再結(jié)晶同時進行，材料未進一步硬化，所以變形速率基本保持恒定。

第三階段：愈來愈大的塑性變形便在晶界形成微孔和裂紋，試件也開始產(chǎn)生縮頸，試件實際受力面積減小而真實應(yīng)力加大，因此在塑性變形速率加快，最后導(dǎo)致試件斷裂。

高溫下試件的應(yīng)變量和時間關(guān)系曲線如圖1所示。這個曲線也稱為蠕變曲線?？煽闯?，蠕變可以分為三個階段：第一階段：蠕變速率（Δε/Δt ）隨時間而呈下降趨勢。

第二階段：蠕變速率不變，即（Δε/Δt ）=常數(shù)，這一段是直線。

第三階段：蠕變速率隨時間而上升，隨后試樣斷裂。

檢測金屬材料在一定的溫度和外力作用下發(fā)生的形變、形變速率、斷裂或應(yīng)力變化等的試驗方法。

1905年英國菲利普斯（F. Philips）首先觀察到金屬絲蠕變現(xiàn)象。1910年英國安德雷德（E.N.da C.Andrade）實驗證實幾種純金屬具有相同的蠕變特點。1922年英國迪肯森（Dickenson）發(fā)表了鋼的蠕變試驗結(jié)果后，人們認(rèn)識到高溫下承載的金屬構(gòu)件均會蠕變，盡管所承受的應(yīng)力要比在這種溫度下構(gòu)件材料的屈服強度低得多。蠕變試驗研究從此受到重視。20年代以后，高溫高壓技術(shù)迅速發(fā)展，蠕變試驗已成為高溫金屬材料必須進行的主要性能試驗之一（見高溫合金）。在蠕變試驗中，形變與時間的關(guān)系用蠕變曲線（圖2）來表示。

金屬蠕變抗力判據(jù)（指標(biāo)）是蠕變極限，即在一定溫度下使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率的應(yīng)力，或在一定溫度下和規(guī)定時間間隔內(nèi)使試樣產(chǎn)生規(guī)定伸長率的應(yīng)力。以蠕變速率測定的蠕變極限和以伸長率測定的蠕變極限分別表示。此處σ上的標(biāo)號Ⅰ為試驗溫度（℃），Ⅱ為規(guī)定的蠕變速率（%/小時），Ⅲ為規(guī)定的伸長率（%），Ⅳ為規(guī)定的試驗持續(xù)時間（小時）。例如，即在溫度為600℃時，經(jīng)100小時試驗后允許伸長率為0.2%時的蠕變極限。

根據(jù)一般經(jīng)驗公式，溫度不變時第二階段蠕變速率與應(yīng)力的對數(shù)呈線性關(guān)系。據(jù)此可用內(nèi)插法或外推法求出蠕變極限。但由于試樣表面氧化或受侵蝕以及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化等，這種線性關(guān)系在長時間可能不復(fù)存在。因此，從短期蠕變極限數(shù)據(jù)求取長期數(shù)據(jù)時，一般在時間上只能外推一個數(shù)量級。利用蠕變數(shù)據(jù)進行溫度和時間外推時，通常采用Larson-Miller參數(shù)法。

對于某些在長期高溫運轉(zhuǎn)過程中只允許產(chǎn)生一定量形變的構(gòu)件，如電站鍋爐、蒸汽輪機，蠕變極限是重要的設(shè)計依據(jù)。大多規(guī)定蠕變速率為10-5（%/小時）相當(dāng)于10萬小時的形變量為1%。制造這種構(gòu)件的金屬材料通常要進行數(shù)萬小時，乃至更長時間的蠕變試驗。

影響蠕變試驗結(jié)果的因素甚多，其中最主要的是溫度控制的長期穩(wěn)定性、形變測量精度和試樣加工工藝。

蠕變斷裂抗力判據(jù)是持久強度極限，即在一定溫度下和規(guī)定時間內(nèi)不產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力。對于某些在高溫運轉(zhuǎn)中不考慮形變量、只考慮使用壽命的構(gòu)件，持久強度極限是重要的設(shè)計依據(jù)。持久強度試驗同蠕變試驗相似，但在試驗過程中只確定試樣的斷裂時間。試樣斷口形貌依試驗條件而異， 在高溫和低應(yīng)力下多為沿晶界斷裂。根據(jù)一般經(jīng)驗公式認(rèn)為，當(dāng)溫度不變時，斷裂時間與應(yīng)力兩者的對數(shù)呈線性關(guān)系。據(jù)此可用內(nèi)插法或外推法求出持久強度極限。為了保證外推結(jié)果的可靠性，外推時間一般不得超過試驗時間10倍。

試驗斷裂后的伸長率和斷面收縮率表征金屬的持久塑性。若持久塑性過低，材料在使用過程中會發(fā)生脆斷。持久強度缺口敏感性qg是用在相同斷裂條件下缺口試樣與光滑試樣兩者的持久強度極限的比值表示。缺口敏感性過高時，金屬材料在使用過程中往往過早脆斷。持久塑性和持久強度缺口敏感性均為高溫金屬材料的重要性能判據(jù)。

持久強度試驗通常在恒定的溫度和載荷下進行。近年來各國一些實驗室發(fā)展出變溫變載的持久強度試驗方法，為接近使用條件下構(gòu)件持久強度性能測試開拓出新途徑。

應(yīng)力松弛試驗：在金屬構(gòu)件總形變恒定的條件下，由于彈性形變不斷轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫?，從而使?yīng)力不斷減小的過程稱為應(yīng)力松弛。這種現(xiàn)象多出現(xiàn)于彈簧、螺栓以及其他壓力配合件，高溫下尤為顯著。因此，應(yīng)力松弛試驗通常在高溫下進行。圖3中曲線第一階段持續(xù)時間較短，應(yīng)力隨時間急劇下降。第二階段持續(xù)時間較長，并趨于恒定。通常以規(guī)定時間后的剩余應(yīng)力作為金屬應(yīng)力松弛抗力的判據(jù)。

應(yīng)力松弛試驗可用來確定栓接件在高溫下長期使用時保持足夠緊固力所需要的初始應(yīng)力，預(yù)測密封墊密封度的減小、彈簧彈力的降低、預(yù)應(yīng)力混凝土中鋼筋的穩(wěn)定性，以及判明鍛件、鑄件和焊接件消除殘余應(yīng)力所需要的熱處理條件。對于用作緊固件的金屬材料常在不同溫度和不同初始應(yīng)力下進行應(yīng)力松弛試驗，以便對其性能有較全面的了解。試驗條件對應(yīng)力松弛試驗結(jié)果影響顯著?？刂瓶傂巫兞康暮愣ㄐ院蜏囟鹊姆€(wěn)定性是保證試驗結(jié)果有良好重現(xiàn)性的關(guān)鍵。 2100433B

單向拉伸蠕變實驗是蠕變計算的基礎(chǔ)實驗。施加載荷可分為恒應(yīng)力和恒位移。恒應(yīng)力實驗可以測得蠕變曲線，恒位移載荷可以測定應(yīng)力松弛曲線。以應(yīng)變量為縱坐標(biāo)，時間為橫坐標(biāo)記錄實驗數(shù)據(jù)可得出蠕變曲線。如圖1所示，單軸拉伸的蠕變曲線可以分為三個階段：

（1）第一階段，初始蠕變階段。位錯微觀結(jié)構(gòu)不斷擴展使應(yīng)變速率不斷降低。

（2）第二階段，穩(wěn)態(tài)蠕變階段。變形與回復(fù)機制達到平衡，產(chǎn)生了穩(wěn)定的應(yīng)變速率。蠕變速率變?yōu)槌?shù)，最小蠕變速率出現(xiàn)在此階段。

（3）第三階段，加速蠕變階段。有效橫截面的降低促使應(yīng)變速率持續(xù)增長，直到斷裂失效。

載荷加載瞬間產(chǎn)生了一個彈性應(yīng)變，隨后經(jīng)歷上述的三個階段。其中穩(wěn)態(tài)蠕變階段變形過程時間最長，占了整個蠕變壽命的大部分?？茖W(xué)研究也主要集中在第二階段的蠕變行為。

蠕變發(fā)展階段

圖1表示在三個不同的恒定應(yīng)力

蠕變理論發(fā)展現(xiàn)狀

目前，還沒有一個適用于一切材料的統(tǒng)一蠕變理論。對金屬材料目前主要有老化理論、強化理論和蠕變后效理論。如以

等號右端第一項為基本部分；第二項為后效影響部分，K稱為影響函數(shù)，它是在τ時刻的單位時間內(nèi)，單位應(yīng)力在此后時刻t所引起的變形。上述各關(guān)系式可推廣到三向應(yīng)力狀態(tài)，但都只在一定條件下近似反映出材料的蠕變性能。

蠕變的微觀機制對于不同的材料是不同的。引起多晶體材料蠕變的原因據(jù)認(rèn)為是原子晶間位錯引起的點陣的滑移以及晶間的滑移等。

材料在恒拉應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定時間t_r以后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為蠕變斷裂。在給定溫度下，使材料經(jīng)過規(guī)定時間發(fā)生斷裂的應(yīng)力值稱為持久強度。表示恒應(yīng)力σ隨斷裂時間t_r的變化曲線稱為持久強度曲線。在三向應(yīng)力狀態(tài)下，一般采用最大正應(yīng)力（或經(jīng)適當(dāng)修正，以考慮剪應(yīng)力的影響）作為等效應(yīng)力來繪制持久強度曲線。在恒定壓應(yīng)力下，構(gòu)件中的位移經(jīng)過一段時間后會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為蠕變曲屈，它是受壓構(gòu)件在蠕變條件下的一種失效形式。

是指在恒溫、恒濕條件下，軟弱結(jié)構(gòu)面在恒定剪應(yīng)力作用下，剪切位移隨時間延長而增加的一種現(xiàn)象。試驗方法與其他直剪試驗大致相同，只是每一級剪切荷載施加的歷時較長，一般為5～10d，特殊情況下，可延長到20～45d，甚至更長。根據(jù)試驗結(jié)果，繪制每一級剪應(yīng)力作用下的蠕變曲線，據(jù)此確定軟弱結(jié)構(gòu)面的長期抗剪參數(shù) 。2100433B