万博体育平台网址從燈絲下垂談起談金屬材料蠕

已浏览: 110次 日期:2020-09-04 作者:万博体育平台网址

就金屬力學性能而言,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力-應變曲線。但是在能源、化工、冶金、航空航天等領域,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組運行參數可達2625MPa,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性能作為設計選材依據明顯是不夠的,因為在高溫服役環境下材料的力學性能會發生明顯變化。材料在工作應力小于該工作溫度下材料的屈服強度的情況下,在長期服役過程中也會發生緩慢而連續的塑性變形(即蠕變征象)。

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所示的這類。這類燈泡在長時間燃點以后,往往會發現有些燈泡的燈絲有彎曲下垂征象,這其實就是燈絲長時間處于高溫環境、在自重作用下的一種蠕變征象。

高溫下金屬力學舉動的一個重要特點就是產生蠕變。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生塑性變形的征象。[1]嚴格來說,蠕變可以發生在任何溫度,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,采用熱力學溫度表示)來表示更合理。通常,當T/Tm03時,蠕變征象才會比較明顯,如通常碳鋼超過300℃、合金鋼超過400℃出現蠕變效應。

說到蠕變機理,金屬的蠕變變形主要通過位錯滑移、原子擴散等機理進行的。[1]可以簡化理解成高溫環境為金屬材料提供了額外的熱激活能,使得位錯、空位等缺點更活躍,更容易克服停滯;在長期應力作用下缺點的移動具有一定方向性,使得變形不斷產生,發生蠕變。當缺點累計到一定程度,在晶粒交會處或者晶界上第二相質點等薄弱地位附近形成空洞,萌生裂紋并逐漸擴展,終極導致蠕變斷裂。

如圖1-2是典型蠕變曲線,表示在恒溫、恒應力條件下,應變ε隨時間τ的變化規律。圖中oa段是試樣在承受恒定拉應力σ時所產生的瞬間應變,從a點開始隨時間τ增長而產生的應變屬于蠕變。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:又稱穩態蠕變階段,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。由于應變硬化的發展,促進了動態回復,金屬不斷軟化,當應變硬化與回復軟化二者達到平衡時,蠕變速率趨于穩定。

為保證在高溫長載荷作用下的機件不致產生過量蠕變,請求金屬材料具有一定的蠕變極限。與常溫下的屈服強度類似,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。[1]蠕變極限適用于不允許發生過量蠕變變形的服役條件下的設計選材。

蠕變極限一般有兩種表示方式,二者都是在規定溫度(t)下和規定時間(τ)內,材料所能承受的最大應力,區分就在于一種是使穩態蠕變速率()不超過規定值的最大應力(),另一種是使試樣產生的蠕變總伸長率不超過規定值的最大應力()。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,根據材料的工作條件,通常使用的蠕變極限有兩種。一種是在規定溫度(t)下引起規定的穩態蠕變速率()的應力值,另一種是在規定溫度下及規定時間(τ)內引起規定蠕變伸長(δ′)的應力值。在給定試驗溫度下,欲求得某種合金的δ′-σ關系遠比測定-σ關系復雜。因為-σ在對數坐標中呈直線關系。[2]經大批試驗總結得出,在一定溫度下,穩態蠕變速率與應力σ的關系為:

某些服役條件下,蠕變變形很小或對變形請求不高,只需求構件在使用期間不發生斷裂。在此情況下,選擇能反映蠕變斷裂抗力的指標作為選材設計依據。金屬材料持久強度極限,是在規定溫度(t)下,達到規定的持續時間(τ)而不發生斷裂的最大應力,以表示。[1]

金屬材料的持久強度極限通過高溫拉伸持久試驗測定。持久強度極限的測定方法與蠕變極限類似,一樣在特定溫度下選擇不同應力進行蠕變試驗,不同之處在于試驗進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,只需測定試樣在規定溫度和一定應力作用下直至斷裂的時間。[1]

高溫拉伸持久試驗方案設計也應從服役條件出發,但對于設計壽命為數萬乃至數十萬小時的部件來說,要進行云云長時間的試驗是比較困難的。例如普通商用核電站關鍵設備的設計壽命一般是40年,完成40年的高溫拉伸持久試驗以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,一般作出一些應力較大、斷裂時間較短(數百至數千小時)的試驗數據,通過數據處理建立應力-斷裂時間之間的關系,用外推法求出數萬至數十萬小時的持久強度極限。

寫在最后:蠕變極限和持久強度極限都用到了數據的外推,有一點需要注意,就是外推數據的可靠性。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據低一個數量級,否則外推值不可靠;一樣,對于持久強度試驗,限定外推時間不超過最長試驗時間一個數量級,以使外推結果不致偏差太大。[1]這在實際應用中是具有可操作性性的,相較于40年的設備壽命而言,用4年時間來評估材料的適用性還是可以接受的。