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【宝博app官网】什么是蠕变?金属质料蠕变机能及其检测方法

本文摘要:什么是蠕变?金属质料蠕变机能及其检测方法 就金属力学机能而言,大家平时打仗最多的是常温下的单向拉伸试验,获得的是我们熟悉的应力-应变曲线。可是在能源、化工、冶金、航空航天等范畴,许多零部件必需持久在高温条件下服役,如电厂超超临界火电机组运行参数可达26.25MPa,600℃。对于在此条件下服役的金属质料,假如仅以常温短时静载下的力学机能作为设计选材依据显然是不敷的,因为在高温服役情况下质料的力学机能会产生显著变化。

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什么是蠕变?金属质料蠕变机能及其检测方法 就金属力学机能而言,大家平时打仗最多的是常温下的单向拉伸试验,获得的是我们熟悉的应力-应变曲线。可是在能源、化工、冶金、航空航天等范畴,许多零部件必需持久在高温条件下服役,如电厂超超临界火电机组运行参数可达26.25MPa,600℃。对于在此条件下服役的金属质料,假如仅以常温短时静载下的力学机能作为设计选材依据显然是不敷的,因为在高温服役情况下质料的力学机能会产生显著变化。质料在事情应力小于该事情温度下质料的屈服强度的环境下,在持久服役历程中也会产生缓慢而持续的塑性变形(即蠕变现象)。

在这里跟大家聊一个袒露年纪的示例,小时候家里凡是会用一种灯丝灯胆,就是图1所示的这种。这种灯胆在长时间燃点之后,往往会发明有些灯胆的灯丝有弯曲下垂现象,这其实就是灯丝长时间处于高温情况、在自重感化下的一种蠕变现象。

图1 小时候常见的白炽灯胆 一、什么是蠕变 高温下金属力学行为的一个重要特点就是发生蠕变。所谓蠕变,就是金属在长时间的恒温、恒载荷感化下缓慢地产生塑性变形的现象。

严格来说,蠕变可以产生在任何温度,所谓的温度“高”或“低”是一个相对观点,是相对于金属熔点而言的,故接纳“约比温度(T/Tm)”(T为试验温度,Tm为金属熔点,接纳热力学温度暗示)来暗示更合理。凡是,当T/Tm>0.3时,蠕变现象才会比力显著,如凡是碳钢凌驾300℃、合金钢凌驾400℃呈现蠕变效应。

说到蠕变机理,金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散等机理举行的。可以简化理解成高温情况为金属质料提供了分外的热激活能,使得位错、空位等缺陷更活跃,更容易降服障碍;在持久应力感化下缺陷的移动具有必然偏向性,使得变形不停发生,产生蠕变。

当缺陷累计到必然水平,在晶粒交会处或者晶界上第二相质点等单薄位置四周形成空洞,萌生裂纹并逐渐扩展,最终导致蠕变断裂。想要很好的认识蠕变现象,还要从典型蠕变曲线开始说起。

与我们平时熟悉的质料应力-应变曲线比拟,金属的蠕变还需要思量温度和时间两个因素。图2 典型蠕变曲线 图2是典型蠕变曲线,暗示在恒温、恒应力条件下,应变ε随时间τ的变化纪律。图中oa段是试样在蒙受恒定拉应力σ时所发生的瞬间应变,从a点开始随时间τ增加而发生的应变属于蠕变。蠕变曲线上任一点的斜率暗示该点的蠕变速率。

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按照蠕变速率的变化环境,可将蠕变历程分为三个阶段: I 减速蠕变阶段:又称过渡蠕变阶段,这一阶段开始的蠕变速率很大,跟着时间耽误蠕变速率逐渐减小,到b点达最小值。这是一个加工硬化感化,由于蠕变变形使位错源开动的阻力及位错滑移的阻力逐渐增大,蠕变速率逐渐降低。

II 恒速蠕变阶段:又称稳态蠕变阶段,这一阶段的特点是蠕变速率根基保持稳定,一般所说的金属蠕变速率指的就是这一阶段的蠕变速率。由于应变硬化的成长,促进了动态答复,金属不停软化,当应变硬化与答复软化二者到达均衡时,蠕变速率趋于不变。

III 加快蠕变阶段:这一阶段蠕变速率随时间增大,到d点时产生蠕变断裂。空洞(可从第二阶段形成)长大、毗连形成裂纹而迅速扩散,导致蠕变速度加速,直至产生蠕变断裂。至于温度和应力对蠕变曲线的影响,大家应该可以或许直观判断,应力越大或温度越高时,蠕变变形速度越快,蠕变寿命越短。

二、蠕变机能参数及其检测方法 质料的蠕变机能可以用蠕变极限和长期强度极限暗示,两者的界说和合用规模差别,可按照实际需要选择。表1 金属蠕变机能指标 1、蠕变极限 1) 界说 为包管在高温长载荷感化下的机件不致发生过量蠕变,要求金属质料具有必然的蠕变极限。

与常温下的屈服强度雷同,蠕变极限反应的是金属质料在高温长时载荷感化下的塑性变形抗力指标。蠕变极限合用于不允许产生过量蠕变变形的服役条件下的设计选材。

蠕变极限一般有两种暗示方式,二者都是在划定温度(t)下和划定时间(τ)内,质料所能蒙受的最大应力,区别就在于一种是使稳态蠕变速率( )不凌驾划定值的最大应力( ),另一种是使试样发生的蠕变总伸长率不凌驾划定值的最大应力( )。二者其实仅相差一个瞬时变化ε 0,其相差量甚小,可以忽略不计。2) 试验道理 前文有述,按照质料的事情条件,凡是使用的蠕变极限有两种。一种是在划定温度(t)下引起划定的稳态蠕变速率()的应力值,另一种是在划定温度下及划定时间(τ)内引起划定蠕变伸长(δ′)的应力值。

在给定试验温度下,欲求得某种合金的δ′-σ关系远比测定-σ关系庞大。因为-σ在对数坐标中呈直线关系。经大量试验总结得出,在必然温度下,稳态蠕变速率与应力σ的关系为: 式中:A1、n为常数,A1是与质料特性和试验温度相关的常数,n为稳态蠕变速率应力指数。

等式双方取对数: 式中A1和n可以由多组试验数据代入公式求得,或者通过在双对数坐标图上绘制应力-稳态蠕变速率关系曲线得到。3) 试验方案设计 详细测按时,首先选定温度,在同一温度下选择差别应力举行蠕变试验,试验举行至划定时间后遏制。

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试验方案的设计主要是从质料的服役条件出发,确定温度、时间、应力等试验参数。温度:按照质料实际服役条件确定,好比超超临界火电机组传热管按照应用温度设定为600℃。时间:金属质料实际服役时间可达数十万小时,但长时间试验会导致试验成本增加,对试验设备也是很大的磨练,关键是工程应用周期太长。因此,凡是接纳加快蠕变试验方法,使试验时间缩短至数十至数万小时。

应力:求蠕变极限的关键是选择应力。实际事情中凡是接纳实验法选择应力。

也有些学者提出运用一些方法更有目的地选择应力。4) 试验历程详解 试验条件:确认试验设备条件,如试验机同轴度、审查丈量装置精度、加热装置温度允许偏差等;制备及格试样,如形状和尺寸、样品制备、尺寸标志等。试验历程:按照试验方案举行试验,注意试验中试样加热、试验力施加、温度和伸长的记载等要求。

数据处置惩罚:通过数据计较或绘制双对数关系曲线,得到应力-稳态蠕变速率关系。例:某合金454℃稳态速率为10 -5%/h的蠕变应力 试验接纳某型机械式长期试验机,力值精度1级,计较机收罗数据。试样按照蠕变试样图制备。

试验在5个应力程度下举行,每个应力程度反复3件。表2 454℃蠕变试验数据汇总表 依据表2的试验数据对稳态蠕变速率与试验应力举行双对数拟合,拟合后的双对数曲线见图3。图3 454℃下稳态蠕变速率-试验应力曲线图 454℃下稳态蠕变速率-应力对应关系为: 因此,稳态速率为10 -5%/h下的蠕变极限为: 2、长期强度极限 1) 界说 某些服役条件下,蠕变变形很小或对变形要求不高,只要求构件在使用期间不产生断裂。

在此环境下,选择能反应蠕变断裂抗力的指标作为选材设计依据。金属质料长期强度极限,是在划定温度(t)下,到达划定的连续时间(τ)而不产生断裂的最大应力,以暗示。2) 检测 金属质料的长期强度极限通过高温拉伸长期试验测定。

长期强度极限的测定方法与蠕变极限雷同,同样在特定温度下选择差别应力举行蠕变试验,差别之处在于试验举行至试样蠕变断裂为止。一般在试验历程中,不需要测定试样的伸长量,只要测定试样在划定温度和必然应力感化下直至断裂的时间。高温拉伸长期试验方案设计也应从服役条件出发,但对于设计寿命为数万以致数十万小时的部件来说,要举行如此长时间的试验是比力坚苦的。

比方普通商用核电站关键设备的设计寿命一般是40年,完成40年的高温拉伸长期试验之后才能判断质料的可用性,这个时间成本太高了。因此,和蠕变试验相似,一般作出一些应力较大、断裂时间较短(数百至数千小时)的试验数据,通过数据处置惩罚成立应力-断裂时间之间的关系,用外推法求出数万至数十万小时的长期强度极限。例:某合金454℃下100000h的长期强度 试验接纳某型机械式长期试验机,力值精度1级,计较机收罗数据。

试样按照长期试样图制备。试验在6个应力程度下举行,每个应力程度反复3件。表3 454℃长期试验数据汇总表 依据表3的试验数据对断裂时间与试验应力举行双对数拟合,拟合后的双对数曲线见图4。图4 454℃下断裂时间-试验应力曲线图 454℃下断裂时间-应力对应关系为: 因此,断裂时间为105h的长期强度极限为: 蠕变极限和长期强度极限都用到了数据的外推,有一点需要注意,就是外推数据的靠得住性。

一般用外推法求蠕变极限,其蠕变速率只能比最低试验点的数据低一个数量级,不然外推值不行靠;同样,对于长期强度试验,限制外推时间不凌驾最长试验时间一个数量级,以使外推成果不致误差太大。这在实际应用中是具有可操作性的,相较于40年的设备寿命而言,用4年时间来评估质料的合用性还是可以接管的。写在最后 来历: 质料人、质料牛返回,检察更多。


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