蠕变试验
测定金属材料在长时间的恒温和恒应力作用下,发生缓慢的塑性变形现象的一种材料机械性能试验。温度越高或应力越大,蠕变现象越显著。蠕变可在单一应力(拉力、压力或扭力),也可在复合应力下发生。通常的蠕变试验是在单向拉伸条件下进行的。
蠕变极限是试样在规定的温度和规定的时间内产生的蠕变变形量或蠕变速度不超过规定值时的*大恒应力。它有两种表示方法:①用表示,其中t为试验温度(℃),τ为试验时间(小时),δ为规定的蠕变变形量(%)。例如=150兆帕,即表示某一材料在温度为 600℃、试验时间为10万小时、产生蠕变总变
蠕变试验
形量为 1%时的蠕变极限为150兆帕。②用符号表示,其中t为试验温度(℃)、v为蠕变第Ⅱ阶段的蠕变速度(%/小时)。例如=100兆帕,即表示某一材料在温度为700℃、蠕变速度为(1/105)%/小时时的蠕变极限为100兆帕。 拉伸蠕变试验方法是:在某一恒温下,把一组试样分别置于不同恒应力下进行试验,得到一系列蠕变曲线,然后在双对数坐标纸上画出该温度下蠕变速度与应力的关系曲线,由之求出规定蠕变速度下的蠕变极限。
典型的蠕变曲线(见蠕变)可分为4个部分: ① Oa为开始加载后所引起的瞬时弹性变形。如果应力超过材料在该温度下的弹性极限,则Oa由弹性变形Oa′加塑性变形a′a组成。 ② ab为蠕变的第Ⅰ阶段,这一阶段的变形速度随时间而减小。 ③ bc为蠕变的第Ⅱ阶段,也称蠕变稳定阶段,这一阶段内的蠕变速度近于常数。 ④ cd为蠕变的第Ⅲ阶段,也称蠕变加速阶段,这一阶段内的蠕变速度随时间而增加,*后在d点断裂。 不同材料的蠕变曲线不同,而同一种材料的蠕变曲线也随应力和温度的改变而不同。 蠕变试验的时间,根据零件在高温下的使用寿命而定。对在高温下长期运行的锅炉、汽轮机等材料,有时要求提供10~20万小时的性能试验数据。1905年英国菲利普斯(F. Philips)首先观察到金属丝蠕变现象。1910年英国安德雷德(E.N.da C.Andrade)实验证实几种纯金属具有相同的蠕变特点。1922年英国迪肯森 (Dickenson)发表了钢的蠕变试验结果后,人们认识到高温下承载的金属构件均会蠕变,尽管所承受的应力要比在这种温度下构件材料的屈服强度低得多。蠕变试验研究从此受到重视。20年代以后,高温高压技术迅速发展,蠕变试验已成为高温金属材料必须进行的主要性能试验之一(见高温合金)。在蠕变试验中,形变与时间的关系用蠕变曲线(图1)来表示。
金属蠕变抗力判据(指标)是蠕变极限,即在一定温度下使试样在蠕变**阶段产生规定蠕变速率的应力,或在一定温度下和规定时间间隔内使试样产生规定伸长率的应力。以蠕变速率测定的蠕变极限和以伸长率测定的蠕变极限分别(图1)表示。此处σ上的标号Ⅰ为试验温度(℃),Ⅱ为规定的蠕变速率(%/小时),Ⅲ为规定的伸长率(%),Ⅳ为规定的试验持续时间(小时)。例如(图2),即在温度为600℃时,经100小时试验后允许伸长率为0.2%时的蠕变极限。
根据一般经验公式,温度不变时**阶段蠕变速率与应力的对数呈线性关系。据此可用内插法或外推法求出蠕变极限。但由于试样表面氧化或受侵蚀以及内部组织结构变化等,这种线性关系在长时间可能不复存在。因此,从短期蠕变极限数据求取长期数据时,一般在时间上只能外推一个数量级。利用蠕变数据进行温度和时间外推时,通常采用Larson-Miller参数法。
对于某些在长期高温运转过程中只允许产生一定量形变的构件,如电站锅炉、蒸汽轮机,蠕变极限是重要的设计依据。大多规定蠕变速率为10的5次方(%/小时)相当于10万小时的形变量为1%。制造这种构件的金属材料通常要进行数万小时,乃至更长时间的蠕变试验。
影响蠕变试验结果的因素甚多,其中*主要的是温度控制的长期稳定性、形变测量精度和试样加工工艺。