就金屬力學(xué)性能而言，大家平時接觸最多的是常溫下的單向拉伸試驗，得到的是我們熟悉的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。但是在能源、化工、冶金、航空航天等領(lǐng)域，很多零部件必須長期在高溫條件下服役，如電廠超超臨界火電機(jī)組運行參數(shù)可達(dá)26.25MPa，600℃。對于在此條件下服役的金屬材料，如果僅以常溫短時靜載下的力學(xué)性能作為設(shè)計選材依據(jù)顯然是不夠的，因為在高溫服役環(huán)境下材料的力學(xué)性能會發(fā)生顯著變化。材料在工作應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度的情況下，在長期服役過程中也會發(fā)生緩慢而連續(xù)的塑性變形(即蠕變現(xiàn)象)。
在這里跟大家聊一個暴露年齡的示例，小時候家里通常會用一種燈絲燈泡，就是圖1所示的這種。這種燈泡在長時間燃點之后，往往會發(fā)現(xiàn)有些燈泡的燈絲有彎曲下垂現(xiàn)象，這其實就是燈絲長時間處于高溫環(huán)境、在自重作用下的一種蠕變現(xiàn)象。
高溫下金屬力學(xué)行為的一個重要特點就是產(chǎn)生蠕變。所謂蠕變，就是金屬在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。[1]嚴(yán)格來說，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，所謂的溫度“高”或“低”是一個相對概念，是相對于金屬熔點而言的，故采用“約比溫度(T/Tm )”(T 為試驗溫度， Tm 為金屬熔點，采用熱力學(xué)溫度表示)來表示更合理。通常，當(dāng)T/Tm >0.3時，蠕變現(xiàn)象才會比較顯著，如通常碳鋼超過300℃、合金鋼超過400℃出現(xiàn)蠕變效應(yīng)。
說到蠕變機(jī)理，金屬的蠕變變形主要通過位錯滑移、原子擴(kuò)散等機(jī)理進(jìn)行的。[1]可以簡化理解成高溫環(huán)境為金屬材料提供了額外的熱激活能，使得位錯、空位等缺陷更活躍，更容易克服障礙;在長期應(yīng)力作用下缺陷的移動具有一定方向性，使得變形不斷產(chǎn)生，發(fā)生蠕變。當(dāng)缺陷累計到一定程度，在晶粒交會處或者晶界上第二相質(zhì)點等薄弱位置附近形成空洞，萌生裂紋并逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致蠕變斷裂。
想要很好的認(rèn)識蠕變現(xiàn)象，還要從典型蠕變曲線開始說起。與我們平時熟悉的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線相比，金屬的蠕變還需要考慮溫度和時間兩個因素。
如圖1-2是典型蠕變曲線，表示在恒溫、恒應(yīng)力條件下，應(yīng)變ε隨時間τ的變化規(guī)律。圖中oa段是試樣在承受恒定拉應(yīng)力σ時所產(chǎn)生的瞬間應(yīng)變，從a點開始隨時間τ增加而產(chǎn)生的應(yīng)變屬于蠕變。蠕變曲線上任一點的斜率表示該點的蠕變速率。根據(jù)蠕變速率的變化情況，可將蠕變過程分為三個階段：
I 減速蠕變階段：又稱過渡蠕變階段，這一階段開始的蠕變速率很大，隨著時間延長蠕變速率逐漸減小，到b點達(dá)最小值。這是一個加工硬化作用，由于蠕變變形使位錯源開動的阻力及位錯滑移的阻力逐漸增大，蠕變速率逐漸降低。
II 恒速蠕變階段：又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段，這一階段的特點是蠕變速率基本保持不變，一般所說的金屬蠕變速率指的就是這一階段的蠕變速率。由于應(yīng)變硬化的發(fā)展，促進(jìn)了動態(tài)回復(fù)，金屬不斷軟化，當(dāng)應(yīng)變硬化與回復(fù)軟化二者達(dá)到平衡時，蠕變速率趨于穩(wěn)定。
III 加速蠕變階段：這一階段蠕變速率隨時間增大，到d點時發(fā)生蠕變斷裂。空洞(可從第二階段形成)長大、連接形成裂紋而迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致蠕變速度加快，直至發(fā)生蠕變斷裂。
至于溫度和應(yīng)力對蠕變曲線的影響，大家應(yīng)該能夠直觀判斷，應(yīng)力越大或溫度越高時，蠕變變形速度越快，蠕變壽命越短。
材料的蠕變性能可以用蠕變極限和持久強(qiáng)度極限表示，兩者的定義和適用范圍不同，可根據(jù)實際需要選擇。
為保證在高溫長載荷作用下的機(jī)件不致產(chǎn)生過量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。與常溫下的屈服強(qiáng)度類似，蠕變極限反映的是金屬材料在高溫長時載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)。[1]蠕變極限適用于不允許發(fā)生過量蠕變變形的服役條件下的設(shè)計選材。
蠕變極限一般有兩種表示方式，二者都是在規(guī)定溫度(t)下和規(guī)定時間(τ)內(nèi)，材料所能承受的最大應(yīng)力，區(qū)別就在于一種是使穩(wěn)態(tài)蠕變速率(
)不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力(
)，另一種是使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力(
)。二者其實僅相差一個瞬時變化ε0 ，其相差量甚小，可以忽略不計。
前文有述，根據(jù)材料的工作條件，通常使用的蠕變極限有兩種。一種是在規(guī)定溫度(t)下引起規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速率()的應(yīng)力值，另一種是在規(guī)定溫度下及規(guī)定時間(τ)內(nèi)引起規(guī)定蠕變伸長(δ′)的應(yīng)力值。在給定試驗溫度下，欲求得某種合金的δ′-σ關(guān)系遠(yuǎn)比測定-σ關(guān)系復(fù)雜。因為-σ在對數(shù)坐標(biāo)中呈直線關(guān)系。[2]經(jīng)大量試驗總結(jié)得出，在一定溫度下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力σ的關(guān)系為：
3-1式中A1、n為常數(shù)，A1是與材料特性和試驗溫度相關(guān)的常數(shù)，n為穩(wěn)態(tài)蠕變速率應(yīng)力指數(shù)。等式兩邊取對數(shù)：
3-2式中A1和n可以由多組試驗數(shù)據(jù)代入公式求得，或者通過在雙對數(shù)坐標(biāo)圖上繪制應(yīng)力-穩(wěn)態(tài)蠕變速率關(guān)系曲線獲得。
具體測定時，首先選定溫度，在同一溫度下選擇不同應(yīng)力進(jìn)行蠕變試驗，試驗進(jìn)行至規(guī)定時間后停止。[1]試驗方案的設(shè)計主要是從材料的服役條件出發(fā)，確定溫度、時間、應(yīng)力等試驗參數(shù)。
溫度：根據(jù)材料實際服役條件確定，比如超超臨界火電機(jī)組傳熱管根據(jù)應(yīng)用溫度設(shè)定為600℃;
時間：金屬材料實際服役時間可達(dá)數(shù)十萬小時，但長時間試驗會導(dǎo)致試驗成本增加，對試驗設(shè)備也是很大的考驗，關(guān)鍵是工程應(yīng)用周期太長。因此，通常采用加速蠕變試驗方法，使試驗時間縮短至數(shù)十至數(shù)萬小時。
應(yīng)力：求蠕變極限的關(guān)鍵是選擇應(yīng)力。實際工作中通常采用嘗試法選擇應(yīng)力。也有些學(xué)者提出運用一些方法更有目的地選擇應(yīng)力。[3]
試驗條件：確認(rèn)試驗設(shè)備條件，如試驗機(jī)同軸度、審查測量裝置精度、加熱裝置溫度允許偏差等;制備合格試樣，如形狀和尺寸、樣品制備、尺寸標(biāo)記等;
試驗過程：根據(jù)試驗方案進(jìn)行試驗，注意試驗中試樣加熱、試驗力施加、溫度和伸長的記錄等要求;[4]
數(shù)據(jù)處理：通過數(shù)據(jù)計算或繪制雙對數(shù)關(guān)系曲線，獲得應(yīng)力-穩(wěn)態(tài)蠕變速率關(guān)系。
例：某合金454℃穩(wěn)態(tài)速率為10-5%/h的蠕變應(yīng)力[5]
試驗采用某型機(jī)械式持久試驗機(jī)力值精度1級，計算機(jī)采集數(shù)據(jù)。試樣根據(jù)蠕變試樣圖制備。
試驗在5個應(yīng)力水平下進(jìn)行，每個應(yīng)力水平重復(fù)3件。
某些服役條件下，蠕變變形很小或?qū)ψ冃我蟛桓撸灰髽?gòu)件在使用期間不發(fā)生斷裂。在此情況下，選擇能反映蠕變斷裂抗力的指標(biāo)作為選材設(shè)計依據(jù)。金屬材料持久強(qiáng)度極限，是在規(guī)定溫度(t)下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時間(τ)而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，以
表示。[1]
金屬材料的持久強(qiáng)度極限通過高溫拉伸持久試驗測定。持久強(qiáng)度極限的測定方法與蠕變極限類似，同樣在特定溫度下選擇不同應(yīng)力進(jìn)行蠕變試驗，不同之處在于試驗進(jìn)行至試樣蠕變斷裂為止。一般在試驗過程中，不需要測定試樣的伸長量，只要測定試樣在規(guī)定溫度和一定應(yīng)力作用下直至斷裂的時間。[1]
高溫拉伸持久試驗方案設(shè)計也應(yīng)從服役條件出發(fā)，但對于設(shè)計壽命為數(shù)萬乃至數(shù)十萬小時的部件來說，要進(jìn)行如此長時間的試驗是比較困難的。例如普通商用核電站關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計壽命一般是40年，完成40年的高溫拉伸持久試驗之后才能判斷材料的可用性，這個時間成本太高了。因此，和蠕變試驗相似，一般作出一些應(yīng)力較大、斷裂時間較短(數(shù)百至數(shù)千小時)的試驗數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理建立應(yīng)力-斷裂時間之間的關(guān)系，用外推法求出數(shù)萬至數(shù)十萬小時的持久強(qiáng)度極限。
例：某合金454℃下100000h的持久強(qiáng)度[5]
試驗采用某型機(jī)械式持久試驗機(jī)力值精度1級，計算機(jī)采集數(shù)據(jù)。試樣根據(jù)持久試樣圖制備。
試驗在6個應(yīng)力水平下進(jìn)行，每個應(yīng)力水平重復(fù)3件。
寫在最后：蠕變極限和持久強(qiáng)度極限都用到了數(shù)據(jù)的外推，有一點需要注意，就是外推數(shù)據(jù)的可靠性。一般用外推法求蠕變極限，其蠕變速率只能比最低試驗點的數(shù)據(jù)低一個數(shù)量級，否則外推值不可靠;同樣，對于持久強(qiáng)度試驗，限制外推時間不超過最長試驗時間一個數(shù)量級，以使外推結(jié)果不致誤差太大。[1]這在實際應(yīng)用中是具有可操作性性的，相較于40年的設(shè)備壽命而言，用4年時間來評估材料的適用性還是可以接受的。
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