蠕變試驗

蠕變實驗是測定金屬材料在長時間的恆溫和恆應力作用下，發生緩慢的塑性變形現象的一種材料機械性能試驗。溫度越高或應力越大，蠕變現象越顯著。蠕變可在單一應力（拉力、壓力或扭力），也可在複合應力下發生。通常的蠕變試驗是在單向拉伸條件下進行的。影響蠕變試驗結果的主要因素是溫度穩定性、形變測量精度和試樣加工工藝。

基本介紹

• 中文名：蛻變實驗
• 外文名：creep test
• 含義：金屬在外力作用下的形變實驗
• 發現者：菲利普斯
• 發現時間：1905年
• 學科：金屬材料

表示方法

蠕變極限是試樣在規定的溫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：

①用蠕變伸長量表示，其中t為試驗溫度(℃)，τ為試驗時間（小時），δ為規定的蠕變變形量（%）。例如=150兆帕，即表示某一材料在溫度為 600℃、試驗時間為10萬小時、產生蠕變總變形量為 1%時的蠕變極限為150兆帕。

②用蠕變速率表示，其中t為試驗溫度（℃）、v為蠕變第Ⅱ階段的蠕變速率（%/小時）。例如=100兆帕，即表示某一材料在溫度為700℃、蠕變速度為(1/105)%/小時時的蠕變極限為100兆帕。

拉伸蠕變試驗方法是：在某一恆溫下，把一組試樣分別置於不同恆應力下進行試驗，得到一系列蠕變曲線，然後在雙對數坐標紙上畫出該溫度下蠕變速度與應力的關係曲線，由之求出規定蠕變速度下的蠕變極限。

典型的蠕變曲線

典型的蠕變曲線（見蠕變）可分為4個部分：

① Oa為開始載入後所引起的瞬時彈性變形。如果應力超過材料在該溫度下的彈性極限，則Oa由彈性變形Oa′加塑性變形a′a組成。

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。

蠕變試驗

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溫度的改變而不同。蠕變試驗的時間，根據零件在高溫下的使用壽命而定。對在高溫下長期運行的鍋爐、汽輪機等材料，有時要求提供10～20萬小時的性能試驗數據。

蠕變現象的發現

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，人們認識到高溫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溫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，高溫高壓技術迅速發展，蠕變試驗已成為高溫金屬材料必須進行的主要性能試驗之一（見高溫合金）。在蠕變試驗中,形變與時間的關係用蠕變曲線來表示。

金屬蠕變抗力判據（指標）是蠕變極限，即在一定溫度下使試樣在蠕變第二階段產生規定蠕變速率的應力，或在一定溫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表示。

根據一般經驗公式，溫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。利用蠕變數據進行溫度和時間外推時，通常採用Larson-Miller參數法。

對於某些在長期高溫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10萬小時的形變數為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，其中最主要的是溫度控制的長期穩定性、形變測量精度和試樣加工工藝。

高溫拉伸蠕變試驗

高溫拉伸蠕變試驗是一種蠕變試驗方法。按規定製備試樣，在恆定溫度和恆定拉伸載荷作用下， 在規定時間內測定其伸長率和時間的關係並確定其蠕變極限。試樣為圓形或板狀，試驗在蠕變試驗機上進行。升溫時在試樣上施加相當於總載荷10%的 初載荷，升至規定溫度後保溫2～4小時，然後施加規定載荷。每隔15～30分鐘記錄一次伸長量。至規定時間後，將載荷降至初載荷，直到測至伸長量不變為止。每種材料的試驗延續時間和允許伸長率視用途而定。試驗溫度一般選用25℃的倍數 (有色金屬) 或50℃的倍數 (黑色金屬) 。在一定的溫度和不同的載荷下，每組試樣不少於3個。根據試驗結果繪出應力與伸長率關係曲線和應力與第二階段 蠕變速度關係曲線，從圖中用內插法求出該材料的 蠕變極限。最後再用在不少於三個溫度下求得的蠕變極限，繪出蠕變極限與溫度的關係曲線。

持久強度試驗

蠕變斷裂抗力判據是持久強度極限，即在一定溫度下和規定時間內不產生斷裂的最大應力。對於某些在高溫運轉中不考慮形變數、只考慮使用壽命的構件，持久強度極限是重要的設計依據。

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， 在高溫和低應力下多為沿晶界斷裂。根據一般經驗公式認為,當溫度不變時,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征金屬的持久塑性。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溫金屬材料的重要性能判據。

持久強度試驗通常在恆定的溫度和載荷下進行。近年來各國一些實驗室發展出變溫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。

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,高溫下尤為顯著。因此,應力鬆弛試驗通常在高溫下進行。

應力鬆弛試驗可用來確定栓接件在高溫下長期使用時保持足夠緊固力所需要的初始應力，預測密封墊密封度的減小、彈簧彈力的降低、預應力混凝土中鋼筋的穩定性，以及判明鍛件、鑄件和焊接件消除殘餘應力所需要的熱處理條件。對於用作緊固件的金屬材料常在不同溫度和不同初始應力下進行應力鬆弛試驗，以便對其性能有較全面的了解。試驗條件對應力鬆弛試驗結果影響顯著。控制總形變數的恆定性和溫度的穩定性是保證試驗結果有良好重現性的關鍵。