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蠕變實驗
鎖定
- 中文名
- 蠕變實驗
- 外文名
- Creep experiment
- 別 名
- 蜕變實驗
- 實驗原料
- 金屬材料
- 內 容
- 金屬在外力作用下的形變實驗
- 作 用
- 單向拉伸條件下進行
蠕變實驗表示方法
蠕變極限是試樣在規定的温度和規定的時間內產生的蠕變變形量或蠕變速度不超過規定值時的最大恆應力。它有兩種表示方法:
②用符號表示,其中t為試驗温度(℃)、v為蠕變第Ⅱ階段的蠕變速度(%/小時)。例如=100兆帕,即表示某一材料在温度為700℃、蠕變速度為(1/105)%/小時時的蠕變極限為100兆帕。
蠕變實驗典型的蠕變曲線
② ab為蠕變的第Ⅰ階段,這一階段的變形速度隨時間而減小。
③ bc為蠕變的第Ⅱ階段,也稱蠕變穩定階段,這一階段內的蠕變速度近於常數。
④ cd為蠕變的第Ⅲ階段,也稱蠕變加速階段,這一階段內的蠕變速度隨時間而增加,最後在d點斷裂。
不同材料的蠕變曲線不同,而同一種材料的蠕變曲線也隨應力和温度的改變而不同。蠕變試驗的時間,根據零件在高温下的使用壽命而定。對在高温下長期運行的鍋爐、汽輪機等材料,有時要求提供10~20萬小時的性能試驗數據。
蠕變實驗蠕變的發現
1905年英國菲利普斯(F. Philips)首先觀察到金屬絲蠕變現象。1910年英國安德雷德(E.N.da C.Andrade)實驗證實幾種純金屬具有相同的蠕變特點。1922年英國迪肯森 (Dickenson)發表了鋼的蠕變試驗結果後,人們認識到高温下承載的金屬構件均會蠕變,儘管所承受的應力要比在這種温度下構件材料的屈服強度低得多。蠕變試驗研究從此受到重視。20年代以後,高温高壓技術迅速發展,蠕變試驗已成為高温金屬材料必須進行的主要性能試驗之一(見高温合金)。在蠕變試驗中,形變與時間的關係用蠕變曲線(圖1)來表示。
金屬蠕變抗力判據(指標)是蠕變極限,即在一定温度下使試樣在蠕變第二階段產生規定蠕變速率的應力,或在一定温度下和規定時間間隔內使試樣產生規定伸長率的應力。以蠕變速率測定的蠕變極限和以伸長率測定的蠕變極限分別(圖1)表示。此處σ上的標號Ⅰ為試驗温度(℃),Ⅱ為規定的蠕變速率(%/小時),Ⅲ為規定的伸長率(%),Ⅳ為規定的試驗持續時間(小時)。例如(圖2),即在温度為600℃時,經100小時試驗後允許伸長率為0.2%時的蠕變極限。
根據一般經驗公式,温度不變時第二階段蠕變速率與應力的對數呈線性關係。據此可用內插法或外推法求出蠕變極限。但由於試樣表面氧化或受侵蝕以及內部組織結構變化等,這種線性關係在長時間可能不復存在。因此,從短期蠕變極限數據求取長期數據時,一般在時間上只能外推一個數量級。利用蠕變數據進行温度和時間外推時,通常採用Larson-Miller參數法。
對於某些在長期高温運轉過程中只允許產生一定量形變的構件,如電站鍋爐、蒸汽輪機,蠕變極限是重要的設計依據。大多規定蠕變速率為10的5次方(%/小時)相當於10萬小時的形變量為1%。製造這種構件的金屬材料通常要進行數萬小時,乃至更長時間的蠕變試驗。
影響蠕變試驗結果的因素甚多,其中最主要的是温度控制的長期穩定性、形變測量精度和試樣加工工藝。
蠕變實驗持久強度試驗
持久強度試驗同蠕變試驗相似,但在試驗過程中只確定試樣的斷裂時間。試樣斷口形貌依試驗條件而異, 在高温和低應力下多為沿晶界斷裂。根據一般經驗公式認為,當温度不變時,斷裂時間與應力兩者的對數呈線性關係。據此可用內插法或外推法求出持久強度極限。為了保證外推結果的可靠性,外推時間一般不得超過試驗時間10倍。
試驗斷裂後的伸長率和斷面收縮率表徵金屬的持久塑性。若持久塑性過低,材料在使用過程中會發生脆斷。持久強度缺口敏感性qg是用在相同斷裂條件下缺口試樣與光滑試樣兩者的持久強度極限的比值表示。缺口敏感性過高時,金屬材料在使用過程中往往過早脆斷。持久塑性和持久強度缺口敏感性均為高温金屬材料的重要性能判據。
持久強度試驗通常在恆定的温度和載荷下進行。近年來各國一些實驗室發展出變温變載的持久強度試驗方法,為接近使用條件下構件持久強度性能測試開拓出新途徑。
蠕變實驗應力鬆弛試驗
在金屬構件總形變恆定的條件下,由於彈性形變不斷轉變為塑性形變,從而使應力不斷減小的過程稱為應力鬆弛。這種現象多出現於彈簧、螺栓以及其他壓力配合件,高温下尤為顯著。因此,應力鬆弛試驗通常在高温下進行。圖2中曲線第一階段持續時間較短,應力隨時間急劇下降。第二階段持續時間較長,並趨於恆定。通常以規定時間後的剩餘應力作為金屬應力鬆弛抗力的判據。