蠕變曲線

蠕變強(qiáng)度是指材料在某一溫度下,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，蠕變量不超過(guò)一定限度時(shí)的最大允許應(yīng)力。長(zhǎng)期蠕變強(qiáng)度對(duì)發(fā)電設(shè)備等長(zhǎng)時(shí)間使用的高溫結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)是最基礎(chǔ)、最重要的材料特性。火力發(fā)電廠及化工設(shè)備等高溫結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，一般參照10萬(wàn)小時(shí)持久強(qiáng)度，但在一部分國(guó)家中，也進(jìn)行以20萬(wàn)小時(shí)持久強(qiáng)度為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。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(zhǎng)時(shí)間蠕變強(qiáng)度特性是很重要的問(wèn)題。

金屬材料技術(shù)研究所從以上觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)于超過(guò)40種實(shí)際應(yīng)用的耐熱金屬材料，實(shí)施了以取得最長(zhǎng)到10萬(wàn)小時(shí)蠕變斷裂數(shù)據(jù)為目的的蠕變數(shù)據(jù)計(jì)劃。已經(jīng)得到大量長(zhǎng)時(shí)間蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行鐵素體系耐熱鋼長(zhǎng)期蠕變強(qiáng)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(shí)，將它作為基本蠕變強(qiáng)度概念進(jìn)行了報(bào)導(dǎo)?；w蠕變強(qiáng)度不依賴于細(xì)微組織形態(tài)和延續(xù)時(shí)間的強(qiáng)度特性。由于第二相的折出，彌散及合金元素的固溶強(qiáng)化或者加工硬化等各種因子而使蠕變強(qiáng)度提高。

但是，在蠕變形成為問(wèn)題的高溫中，因?yàn)榘l(fā)生擴(kuò)散活潑化，材料的細(xì)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(xì)微組織形態(tài)強(qiáng)化因子的效果，隨時(shí)間的經(jīng)過(guò)而慢慢減少，蠕變強(qiáng)度下降。細(xì)微組織只有經(jīng)過(guò)完全回火，經(jīng)過(guò)充分時(shí)間的高溫、長(zhǎng)時(shí)間，依賴于細(xì)微組織形態(tài)的強(qiáng)化因子效果才消失，蠕變強(qiáng)度不依賴于時(shí)間的經(jīng)過(guò)而成為固有的強(qiáng)度特性。以上的想法是基體蠕變強(qiáng)度概念，是不依賴于細(xì)微組織的穩(wěn)定強(qiáng)度特性，即基體蠕變強(qiáng)度。

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

檢測(cè)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(yàn)方法。

1905年英國(guó)菲利普斯（F. Philips）首先觀察到金屬絲蠕變現(xiàn)象。1910年英國(guó)安德雷德（E.N.da C.Andrade）實(shí)驗(yàn)證實(shí)幾種純金屬具有相同的蠕變特點(diǎn)。1922年英國(guó)迪肯森（Dickenson）發(fā)表了鋼的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果后，人們認(rèn)識(shí)到高溫下承載的金屬構(gòu)件均會(huì)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(qiáng)度低得多。蠕變?cè)囼?yàn)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?cè)囼?yàn)已成為高溫金屬材料必須進(jìn)行的主要性能試驗(yàn)之一（見(jiàn)高溫合金）。在蠕變?cè)囼?yàn)中，形變與時(shí)間的關(guān)系用蠕變曲線（圖2）來(lái)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(shí)間間隔內(nèi)使試樣產(chǎn)生規(guī)定伸長(zhǎng)率的應(yīng)力。以蠕變速率測(cè)定的蠕變極限和以伸長(zhǎng)率測(cè)定的蠕變極限分別表示。此處σ上的標(biāo)號(hào)Ⅰ為試驗(yàn)溫度（℃），Ⅱ?yàn)橐?guī)定的蠕變速率（%/小時(shí)），Ⅲ為規(guī)定的伸長(zhǎng)率（%），Ⅳ為規(guī)定的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間（小時(shí)）。例如，即在溫度為600℃時(shí)，經(jīng)100小時(shí)試驗(yàn)后允許伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的蠕變極限。

根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)公式，溫度不變時(shí)第二階段蠕變速率與應(yīng)力的對(duì)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(zhǎng)時(shí)間可能不復(fù)存在。因此，從短期蠕變極限數(shù)據(jù)求取長(zhǎng)期數(shù)據(jù)時(shí)，一般在時(shí)間上只能外推一個(gè)數(shù)量級(jí)。利用蠕變數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度和時(shí)間外推時(shí)，通常采用Larson-Miller參數(shù)法。

對(duì)于某些在長(zhǎng)期高溫運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(jī)，蠕變極限是重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。大多規(guī)定蠕變速率為10-5（%/小時(shí)）相當(dāng)于10萬(wàn)小時(shí)的形變量為1%。制造這種構(gòu)件的金屬材料通常要進(jìn)行數(shù)萬(wàn)小時(shí)，乃至更長(zhǎng)時(shí)間的蠕變?cè)囼?yàn)。

影響蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的因素甚多，其中最主要的是溫度控制的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、形變測(cè)量精度和試樣加工工藝。

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

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(shí)間而上升，隨后試樣斷裂。

溫度較高時(shí)原子的活動(dòng)能力提高，使得產(chǎn)生塑性變形的位錯(cuò)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(kāi)始強(qiáng)化，變形抗力加大，所以：

第一階段：變形速率隨時(shí)間而下降。

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

第三階段：愈來(lái)愈大的塑性變形便在晶界形成微孔和裂紋，試件也開(kāi)始產(chǎn)生縮頸，試件實(shí)際受力面積減小而真實(shí)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。

蠕變斷裂抗力判據(jù)是持久強(qiáng)度極限，即在一定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力。對(duì)于某些在高溫運(yùn)轉(zhuǎn)中不考慮形變量、只考慮使用壽命的構(gòu)件，持久強(qiáng)度極限是重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。持久強(qiáng)度試驗(yàn)同蠕變?cè)囼?yàn)相似，但在試驗(yàn)過(guò)程中只確定試樣的斷裂時(shí)間。試樣斷口形貌依試驗(yàn)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(yàn)公式認(rèn)為，當(dāng)溫度不變時(shí)，斷裂時(shí)間與應(yīng)力兩者的對(duì)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(qiáng)度極限。為了保證外推結(jié)果的可靠性，外推時(shí)間一般不得超過(guò)試驗(yàn)時(shí)間10倍。

試驗(yàn)斷裂后的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率表征金屬的持久塑性。若持久塑性過(guò)低，材料在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生脆斷。持久強(qiáng)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(qiáng)度極限的比值表示。缺口敏感性過(guò)高時(shí)，金屬材料在使用過(guò)程中往往過(guò)早脆斷。持久塑性和持久強(qiáng)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(qiáng)度試驗(yàn)通常在恒定的溫度和載荷下進(jìn)行。近年來(lái)各國(guó)一些實(shí)驗(yàn)室發(fā)展出變溫變載的持久強(qiáng)度試驗(yàn)方法，為接近使用條件下構(gòu)件持久強(qiáng)度性能測(cè)試開(kāi)拓出新途徑。

應(yīng)力松弛試驗(yàn)：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(guò)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(yàn)通常在高溫下進(jìn)行。圖3中曲線第一階段持續(xù)時(shí)間較短，應(yīng)力隨時(shí)間急劇下降。第二階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，并趨于恒定。通常以規(guī)定時(shí)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(yàn)可用來(lái)確定栓接件在高溫下長(zhǎng)期使用時(shí)保持足夠緊固力所需要的初始應(yīng)力，預(yù)測(cè)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?xiàng)l件。對(duì)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(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，以便對(duì)其性能有較全面的了解。試驗(yàn)條件對(duì)應(yīng)力松弛試驗(yàn)結(jié)果影響顯著。控制總形變量的恒定性和溫度的穩(wěn)定性是保證試驗(yàn)結(jié)果有良好重現(xiàn)性的關(guān)鍵。 2100433B

單向拉伸蠕變實(shí)驗(yàn)是蠕變計(jì)算的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。施加載荷可分為恒應(yīng)力和恒位移。恒應(yīng)力實(shí)驗(yàn)可以測(cè)得蠕變曲線，恒位移載荷可以測(cè)定應(yīng)力松弛曲線。以應(yīng)變量為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)記錄實(shí)驗(yàn)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(gè)階段：

（1）第一階段，初始蠕變階段。位錯(cuò)微觀結(jié)構(gòu)不斷擴(kuò)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(jī)制達(dá)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(zhǎng)，直到斷裂失效。

載荷加載瞬間產(chǎn)生了一個(gè)彈性應(yīng)變，隨后經(jīng)歷上述的三個(gè)階段。其中穩(wěn)態(tài)蠕變階段變形過(guò)程時(shí)間最長(zhǎng)，占了整個(gè)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(gè)不同的恒定應(yīng)力

蠕變理論發(fā)展現(xiàn)狀

目前，還沒(méi)有一個(gè)適用于一切材料的統(tǒng)一蠕變理論。對(duì)金屬材料目前主要有老化理論、強(qiáng)化理論和蠕變后效理論。如以

等號(hào)右端第一項(xiàng)為基本部分；第二項(xiàng)為后效影響部分，K稱為影響函數(shù)，它是在τ時(shí)刻的單位時(shí)間內(nèi)，單位應(yīng)力在此后時(shí)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(jī)制對(duì)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(cuò)引起的點(diǎn)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(guò)一定時(shí)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(guò)規(guī)定時(shí)間發(fā)生斷裂的應(yīng)力值稱為持久強(qiáng)度。表示恒應(yīng)力σ隨斷裂時(shí)間t_r的變化曲線稱為持久強(qiáng)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(lái)繪制持久強(qiáng)度曲線。在恒定壓應(yīng)力下，構(gòu)件中的位移經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)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(shí)間延長(zhǎng)而增加的一種現(xiàn)象。試驗(yàn)方法與其他直剪試驗(yàn)大致相同，只是每一級(jí)剪切荷載施加的歷時(shí)較長(zhǎng)，一般為5～10d，特殊情況下，可延長(zhǎng)到20～45d，甚至更長(zhǎng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制每一級(jí)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(zhǎng)期抗剪參數(shù) 。2100433B