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钢材金属的高温力学性能试验

钢材金属材料在高温下的力学性能与室温下有很大不同,影响因素也比室温下复杂得多。室温下材料力学性能与载荷保持时间关系不大,但是高温下材料性能与时间有重大关系。高温下金属材料的组织可能发生变化,从而使性能也发生明显变化。随着温度的升高,材料受环境、介质的腐蚀作用也加剧,这也会影响材料性能。

    金属材料的高温力学性能主要包括高温蠕变、松弛、高温疲劳、高温短时拉伸性能及高温硬度等。


一、高温蠕变    


1.1 蠕变现象

    金属在一定温度和一定压力作用下,随着时间增加,塑性变形缓慢增加的现象称为蠕变。

    图1 为典型的蠕变曲线(ε-t曲线),它可分为三个区域(或三个阶段)。 


▲图1 典型的蠕变曲线


    区域Ⅰ(ab)为第一阶段,是减速蠕变阶段。加载后蠕变速度逐渐减少,如图2所示。

    区域Ⅱ(bc)即第二阶段是恒速蠕变阶段。这一阶段如蠕变速度几乎恒定,蠕变速度最小。通常所说的蠕变速度都是指这一阶段的速度。

    区域Ⅲ(cd)即第三阶段,是加速蠕变阶段,当变形达到c以后,蠕变速度迅速增加,达到d时断裂。

  


▲图2 -t关系曲线


    当在恒定温度下改变应力或在恒定应力下改变温度时,所得的蠕变曲线如图3、图4所示,都保持这三个阶段。当应力较小或温度较低时,则其第二阶段(即等速蠕变阶段)可以延续的很长;相反,当应力较大或温度较高时,则第二阶段很短甚至消失,这时蠕变就只有第一、第二阶段,试样在短时间内断裂。 


▲图3 应力对蠕变曲线的影响


▲图4 温度对蠕变曲线的影响


    蠕变曲线所表示的ε-t关系常采用下式表达:

      ε=ε0+βtⁿ+kt         (1)

右边一项是瞬时应变,包括起始弹性形变和塑性形变(这个值随加载方法、形变的测定方法和精度等的不同,可能带来不同的误差),第二是减速蠕变的应变,第三项是恒速蠕变引起的应变。

    将式(1)对时间求导则得:  

     (2)

式中,n 为小于 1 的正数。

    当 t 很小时,右边第一项起决定作用。随着时间增加,应变速度逐渐减小,它表示第一阶段蠕变。当时间继续增大时,第二项开始起主要作用,此时应变速度接近恒定值,即表示第二阶段蠕变。


1.2 蠕变极限及其测定方法

    金属拉伸蠕变,其试验方法在GB/T2039-xxxx中有详细规定。材料的蠕变极限是根据蠕变曲线来确定的。确定蠕变极限有两种方法。


    第一种:在一定温度下,当蠕变第二阶段内的蠕变速度恰好等于某一规定值时,把对应的应力值定义为蠕变极限。为了清楚起见,把这种条件下的蠕变极限记为(MPa),其中 t 表示实验温度 (),为第二阶段的蠕变速度(%/h)。例如,=60MPa表示温度600℃,蠕变速度为1X10E-5%/h条件下的蠕变极限。


    第二种:在一定温度下, 在规定时间内,恰好产生某一允许的总变形量,把对应的应力值定义为条件蠕变极限,这种条件下的蠕变极限记为MPa,其中 δ/τ 表示在规定时间 τ 内,使试样产生蠕变变形量δ%。例如=10MPa表示在500℃下,10万小时后,变形量为1%的蠕变极限为10MPa。  



    这种条件蠕变极限可以这样来确定:首先在一定温度t恒定应力σ1 下作蠕变试验(参见图3)。这时无需花很多时间做出整条曲线,只需进行到第二阶段若干时间后,便可在 σε-t 曲线上确定此时第二阶段的平均蠕变1 。同样,若保持温度 t1 而改变应力 σ2,便可得 ……  这样可得到 t1 温度下一系列不同应力σ对应的不同 ,可作出如图5 所示的 lgσ-lg 曲线。


▲图5 不同温度下lgσ-lg曲线


因此在双对数坐标上可用下列公式表示:   

      =001.webp.jpg   (3)

式中 a、b 是 与温度、材料试验条件有关的常数。

    在动力工程中,如果规定,在 t1温度下=10E-6%/h,则根据e ,在lgσ-lg 曲线上很容易确定t1温度下的 σe 。

   另外,根据lgσ-lg 曲线的线性关系可以看出,在采用较大应力,用较短时间做出几条曲线后,便可以用外推法求出较小蠕变速度下的蠕变极限。不过这种推算出来的数据不是来源于试验,使用时候要谨慎。

    各种Cr-Mo钢的蠕变极限强度随温度变化曲线如图6 所示。可用看出,随温度升高,蠕变强度明显下降。


图6.webp.jpg

▲图6 各种Cr-Mo钢的温度-蠕变强度曲线


测定蠕变极限的试验装置如图7所示。


图7.webp.jpg
▲图7 蠕变试验机原理图
1-引伸计  2-控温用白金电阻丝  3-试片
4-电阻炉  5-平衡重锤  6-均热扇
7-热电偶  8-重磅  9-重磅支座



1.3 持久强度极限、持久塑性及其测定方法

1.3.1 持久强度极限

    蠕变极限以考虑变形为主,如燃气轮机叶片在长期运行中,只允许产生一定量的变形量,在设计师必须考虑蠕变极限。持久强度则主要考虑材料在高温长时间使用条件下的断裂抗力,对某些零件(如锅炉管道、喷气式发动机等)等的蠕变变形要求不严,但必须保证在使用时不坏,这就要求持久强度极限来作为设计的主要依据。

    高温拉伸持久实验方法在GB/T2039-xxxx中有详细规定。持久强度极限是指试样在一定温度和规定持续时间内引起断裂的最大应力值。记做mpa.webp.jpg(MPa)。例如: 300mpa.webp.jpg=300MPa,表示某材料在700℃,经1000h后发生断裂的应力(也就是持久极限)为300MPa。 

     各种耐热材料和耐热合金的持久强度极限见图8 和 图9 。                    


图8.webp.jpg
▲图8 各种耐热材料的持久强度极限
注:保持时间均为100h


图9.webp.jpg


▲图9 各种耐热合金的持久强度极限
注:试验温度均为980℃


    锅炉、汽轮机等机组的设计寿命为数万至数十万小时。对于长寿命的持久强度极限,可以通过采用增大应力,缩短断裂时间的方法,根据经验公式外推到低应力长时间的持久强度极限。下面主要简述对数外推法:


                 -B


    t=Aσ            (4)                                              


    式中 A、B为与实验温度、材料有关的常数。
    对(4)取对数即可得:
    lgt=lgA-Blgσ  (5)
    上式表明:断裂时间的对数 lgt 与应力的对数值 lgσ 之间呈线性关系。根据式(5),可以从较短时间的实验数据外推出长时间的持久强度极限。通常用4~8根试样求出不同应力下的断裂时间,即可进行外推。
   但必须注意,上述持久强度极限直接外推法是近似的,试验点并不完全符合线性关系。实际上是一条具有二次转折的曲线,见图10 。对于不同的材料和实验温度,转折的位置和形状各不相同。


图10 10CrMo910钢550神神道道持久强度极限曲线.webp.jpg


▲图10 10CrMo910钢550神神道道持久强度极限曲线

    这种转折与高温加载下钢中组织结构的变化有关。因此,用式(5)的线性方程式只是近似方法。对于某些组织不稳定的钢,其转折非常明显,直线外推法就可能带来较大的误差。
    在做持久强度试验时,试验点的选取应充分反映曲线的全貌。若单纯选取转折前或转折后的试验点,就可能导致较大的误差。对于某些设计强度容量比较小的零部件,材料实验时间要适当长一些,例如尽可能做到曲线出现转折以后。若转折出现较迟,也应考虑安排一个甚至几个较长时间的试验点(如1万小时以上)。
1.3.2 持久塑性
    持久塑性是在持久强度试验中,用试样在断裂后的伸长率和断面收缩率来表示的。它反映材料在高温长时间作用下的塑性性能,是衡量材料蠕变脆化的一个重要指标。很多材料高温下长时间工作后,伸长率大为降低,往往发生脆性断裂,由于它与缺口敏感性、低周疲劳及裂纹扩展抗力有关,所以材料的持久塑性受到重视。一般要求持久塑性不小于3%~5%。
    金属材料的持久强度与持久塑性的试验测定比较简单,不需要测定变形过程中中伸长量,只要测定给定温度和应力下的断裂时间、断裂后的伸长率和断面收缩率即可。

二、松弛稳定性


西门子燃气轮机.webp.jpg

西门子燃气轮机



2.1 应力松弛现象
    动力机械中有很多零件,例如汽轮机和燃气轮机组合转子或法兰的紧固螺栓,高温下使用的弹簧、热压部件等,都是在应力松弛条件下工作的。(见图11)。所谓松弛,是指零件在高温下总形变不变,但其中所加的应力却随着时间增长而自发地逐渐下降的现象。


图11 零件高温下使用产生应力松弛.webp.jpg


▲图11 零件高温下使用产生应力松弛
    金属材料的高温松弛也是由蠕变引起的。在松弛的试验或工作条件下,总应变ε0(包括弹性应变εe和塑性应变εp)是恒定的,即
    ε0=εe+εp=常数    (6)
在高温试验过程中,由于发生蠕变,塑性应变不断增大,则εe不断降低,随之应力σ(=Eεe)也不断降低。
    若将蠕变与应力松弛过程进行比较,详见图12,就能搞清楚松弛现象。

图12 蠕变和松弛现象的比较.webp.jpg
▲图12 蠕变和松弛现象的比较
a)蠕变  b)松弛




    蠕变时,应力保持不变,塑性形变和总变形随时间增长而增大。而松弛时,总变形不变随时间增长,塑性变形不断地取代弹性变形,使弹性应力不断下降。虽然他们表现形式不同,但两者在本质上并无区别,因此松弛现象可看作是一种在应力不断减少条件下的蠕变过程,或者说是在总应变量不变下的蠕变。蠕变抗力高的材料,应力松弛抗力一般也高,但不能从蠕变的数据直接推算出应力松弛的情况,因此一般蠕变并不能替代应力松弛。

2.2 松弛稳定性指标及其测定方法
    金属应力松弛试验方法在GB/T10120-xxxx中有详细规定。应力松弛过程可以通过应力松弛曲线来描写。在恒温和总应变恒定的条件下,测定应力-时间的关系,可以得到如图13 所示的 σ-曲线,称为应力松弛原始曲线。曲线第一阶段应力随时间急剧降低,第二阶段应力下降逐渐缓慢并逐渐趋于恒定。在第二阶段, σ-的关系可用如下经验公式表示:
     σ=exp.webp.jpgexp(-t/t0  (7)
式中   σ  -剩余应力
         t0.webp.jpg -第二阶段初始应力 
            t - 应力松弛时间
            t0- 与材料有关的常数  
    若式(6)用lgσ-t 半对数坐标作图,则可得如图14 所示的应力松弛曲线。图中明显划分为两个阶段,第二个阶段为一条直线。因此在第二阶段内,可以通过较短时间的试验后进行外推,从而求得较长时间的剩余应力。


          

图13 应力松弛原始曲线.webp.jpg

▲图13 应力松弛原始曲线


     图14 松弛曲线.webp.jpg

    图14 松弛曲线



    材料抵抗应力松弛的能力称为松弛稳定性。松弛曲线第一阶段的松弛应力。用 s0=σ0´ /σ表示。其中σ0为初始应力,σ0´ 可由松弛曲线的直线部分与纵坐标交点来确定。材料第二阶段的松弛应力用t0=1/tanα 表示。
    显然s0t0值越大,则材料的松弛稳定性越高。同样若式(7)用σ-lgt 半对数坐标表示,见图15,则σ0越大,应力下降速度也越大 。经过长时间松弛后,剩余应力相当接近。


图15 半对数松弛曲线.webp.jpg

▲图15 半对数松弛曲线



    由式(6)得
       8.webp.jpg     (8)        
式中应力下降率 dσ/dt 由图15 求出,求得的值带入式(8)便可得到σ的关系,见图16 。



图16 应力-塑性变形速度曲线.webp.jpg

▲图16 应力-塑性变形速度曲线



    图16也表示应力松弛,它可以分为两个阶段。第一阶段的塑性变形速率同时取决于应力和塑性应变;而第二阶段几乎与应变没有没有关系,仅仅取决于应力。这表明松弛的第一、二阶段与蠕变的第一、二阶段有相似的关系。
    应力松弛试验若在应力、应变均能自动控制的 lnstron 型电子拉伸机上进行,则十分简单(见图17)。一定的温度环境由电阻炉加热实现;应力、应变通过载荷传感器和引伸计与电子控制实现。可以用引伸计监控试样标距长度使其恒定不变。当长度发生变化时应力便会自动降低,使其标距又回到原来长度,并能自动记录 σ-t 曲线



图17 松弛试验.webp.jpg

▲图17 松弛试验


计算机控制高温蠕变试验机实物图.webp.jpg

计算机控制高温蠕变试验机实物图


    如果没有上述试验机,可采用一般蠕变试验机进行试验,也称 Kobinson 法。如图18所示 。



图18 降压试验法的原理.webp.jpg
▲图18 降压试验法的原理

    首先施加初始压力,使总应变 ε达到预定值后。适当地减少应力,设为σ1,进行恒应力σ1下的蠕变试验。当总应变又达到 ε之后,再次重复上述试验过程,分成不同的应力阶段(σ1、σ2、σ3.、......)进行松弛试验。试验表明,这种方法在实用上是可靠的。


    也可以采用环形试样进行应力松弛试验,其试样形状和尺寸如图19 所示 。


图19 应力松弛试验用环形试样.webp.jpg
▲图19 应力松弛试验用环形试样
a)试样  b)楔子

施加载荷时只需将楔子(K)插入开口C中即可。由两个偏心圆所形成的试样工作部分(BAB)仅为传递外加力矩之用。为了保证刚性,这部分截面较大,以致可将其弹性忽略不计。借助金刚石压锥在试件非工作部分刻出的标记,仔细测量环形试样开口宽度,插入楔子,将试样放入炉中加热,经一定时间后取出冷却并将楔子取出,然后重新测量开口宽度。
    由于试样工作部分塑性变形增加,开口宽度随时间而增大。按照开口尺寸的改变,可计算压力大小并绘制应力-时间关系曲线。
    环形试样加载应力σ为:
   σ=AEΔ         (9)
式中 A——系数,对于图18形状尺寸的试样,为0.000583/mm
        E——试验温度下材料的弹性模量
       Δ ——c2-c1,其中c1为试样间隙原有宽度,随试验时间的延长而逐渐增大,c2为楔子插入后的宽度,为一定数。图20 给出了各种材料经1000h,总应变约为0.2%的应力松弛曲线,可供设计参考。


图20  一些经1000h总应变约为0.2%的材料的应力松弛曲线.webp.jpg

图20  一些经1000h总应变约为0.2%的材料的应力松弛曲线


三、其它高温力学性能


3.1 高温短时拉伸性能

    评定耐热材料的力学性能时,虽然短时拉伸性能不如蠕变和持久强度重要,但如果工作时间很短(例如火箭、导弹中的某些零件),或零件工作温度不高(在400℃以下使用的钢铁材料),且蠕变现象并不起重要作用,以及检查材料的热塑性等情况时,短时间高温拉伸性具有重要意义。

    简单的高温拉伸试验可在普通的拉伸试验机上进行,只需附加加热与测量装置和耐高温的试验夹具及引伸计,即可测定高温抗拉强度、弹性模量、伸长率、断面收缩率等拉伸性能指标。但在高温短时拉伸时,实验温度和载荷持续时间或开始速度对性能也有显著影响,特别是加载速度和载荷持续时间及温度波动(例如±5℃)的影响更大。一般高温下的加载时间和持续时间比常温下要长。常温拉伸试验的加载速度通常为5~10MPa/s,高温短时拉伸加载速度较慢,一般为2.5~3MPa/s。高温加载时间一般以20~30min为宜,否则会带来较大误差。  


高温拉伸试验机实物图.webp.jpg

高温拉伸试验机实物图  


3.2 高温硬度

    高温硬度用于衡量材料在高温下抵抗塑性变形的能力。对于高温轴承以及某些高温下工作的工模具材料,高温硬度是重要的质量指标。随着高温合金的开发,特别是高温陶瓷材料的开发,这方面的知识已得到广泛的应用。

    高温硬度试验首先遇到的是压头问题。压头必须在高温下仍能保持足够的硬度并且十分稳定,与试样不发生化学反应等。

    一般布氏硬度试验采用耐热钢、硬质合金或特殊陶瓷材料制成的压头。

    金刚石压头虽经常使用,但必须注意,因被测试样种类不同,不能应用的场合很多。例如,600℃附近与钢材发生反应,1000℃时与纯铁发生粘着;900℃反复试验几次后压头便变钝损坏;在850℃以上易于 Ti 和 Cr 发生化学反应等。

    对于金属试样,常用蓝宝石做压头,另外做压头材料的还有B4C、SiC等陶瓷材料。对一部分陶瓷材料,若不发生反应,使用温度可达1500℃ 。


    高温硬度测定还必须注意防止氧化脱碳,必须在真空和不活泼气体(如氩气、氮气)中进行,用压痕法试验时,在高温下打压痕,冷却至室温测压痕尺寸时,要注意冷却后有没有发生相变,如果发生,就不能使用。
    高温硬度值随载荷保持时间的变化而变化,保持时间越短,硬度值越高,因此必须在规定时间内进行测定。压头的加载速度一般为10mm/(15~20s),炉子加热速度在10℃/min以下。达到硬度测定温度后,保持2~3min再开始测量。图21 所示的高温显微硬度计的测试温度可达到1600℃,载荷为500~5000mN 。




图21 高温显微硬度计构成示意图.webp.jpg
图21 高温显微硬度计构成示意图
1-式样台  2-电阻炉  3-发热体  
4-试样  5-热电偶  6-压头轴  
7-砝码  8-压头  9-显微镜
10-玻璃  11-观察窗  12-快门


高温显微硬度计实物图.webp.jpg

高温显微硬度计实物图




3.3 高温疲劳、蠕变与疲劳交互作用
    在高温高压下工作的许多动力机械,并不是仅仅受到静载荷作用,而是在交变应力作用下失效的,高温疲劳性能对这些构件的设计来说是十分重要的。
    金属材料的高温疲劳与常温下的疲劳有相似之处,也是由裂纹萌生、扩展和最终断裂三个过程组成。裂纹顶端的非弹性应变对上述行为起决定作用。但是,高温下的疲劳行为有其特殊性,必须考虑高温、时间、环境气氛和疲劳过程中金属组织变化度等因素的综合作用,因此它比常温疲劳复杂得多。
3.3.1 温度的影响
    一般地,随着温度升高,材料的疲劳强度下降。在室温时疲劳曲线上有一水平部分。但在高温下不出现水平部分,疲劳强度不断下降。图22 为 GH32 型镍基高温合金在不同温度下的疲劳曲线。



图22 GH32型镍基高温合金在不同温度下的疲劳曲线.webp.jpg


图22 GH32型镍基高温合金在不同温度下的疲劳曲线

在高温时,由于合金组织弱化、疲劳曲线在低应力部分更剧烈地下降,所以在高温下只存在条件疲劳极限。
    随着温度升高,在疲劳中蠕变的成分逐步增加,这时必须同时考虑疲劳和蠕变的作用。如图23 所示,随着温度升高,疲劳强度下降比持久强度下降的慢,所以它们产生一个交点,低于交点的部件以疲劳破坏为主;高于交点的部件以持久断裂为主。不同的材料有不同的交点温度。



图23 疲劳强度和持久强度的关系.webp.jpg

▲图23 疲劳强度和持久强度的关系



3.3.2 时间的影响
    时间影响包括循环速度(频率)υ、应变速度、应力和应变波形等。一般在高温下,频率的变化会大大影响裂纹的萌生和扩展的循环周次。图24所示 为频率与温度对不同滑移材料疲劳寿命的影响。




图24 频率与温度对不同滑移材料频率寿命的影响.webp.jpg
▲图24 频率与温度对不同滑移材料频率寿命的影响(T3>T2T1T0
a)波纹滑移材料(碳钢、镍、铝等) 
 b)平面滑移材料(不锈钢、镍基高温合金、钛等)



    图25所示 为加载波形和保持时间对疲劳寿命的影响。


图25 加载波形和保持时间对疲劳寿命的影响.webp.jpg

▲图25 加载波形和保持时间对疲劳寿命的影响


由该图可见,在循环拉伸侧保持一段时间,使疲劳寿命下降。实际上,如果要综合考虑温度、时间对高温疲劳寿命的影响,必须同时考虑蠕变与疲劳两者以及他们之间的相互作用,即由两者的综合作用引起的构件失效。


3.3.3 蠕变与高温疲劳的交互作用

    在高温下工作的许多实际工程构件,如燃气轮机、核反应堆零件、化学高温容器等,在工作时虽承受了循环应力或循环应变载荷的作用,但设计时不能进单一地按疲劳蠕变作设计准则,必须考虑两者的交互作用。

    蠕变与疲劳的相互作用,目前已提出许多理论,如线性损伤积累理论、应变分区理论,塑性耗竭理论等。下面简单介绍线性损伤积累理论。该理论认为:蠕变引起的损伤Φe与疲劳引起的损伤Φf是各自独立的,两种损伤可以互相叠加(Φf+Φe),当他们达到材料允许极限损伤Φt时,尺寸便失效。因此设计准则为:

     Φf+ΦeΦt      (10)

该式可以进一步表示为:      


    11.webp.jpg    (11)

式中  Nd——允许的循环次数

         T——允许的蠕变断裂时间

           n—— 实际循环次数

           t ——实际蠕变时间

式(11)是 Palmgrem-Miner 经典损伤法则的表达式。


我国自主研发的第三代核反应堆.webp.jpg

我国自主研发的第三代核反应堆

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     发布于 2020-02-20 17:37:55  回复该评论
  • 高温拉伸装引伸计引起蠕变

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