高溫蠕變

所謂蠕變，就是指金屬材料在恆溫、恆載荷的長期作用下緩慢的產生塑性變形的現象。在高溫條件下，蠕變對構件產生的影響十分顯著。由於施加應力方式的不同，可分為高溫壓縮蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫彎曲蠕變和高溫扭轉蠕變。一般常利用蠕變極限、持久強度等指標來描述材料的蠕變性能。

基本介紹

• 中文名：高溫蠕變
• 外文名：high-temperature creep
• 蠕變性能：蠕變極限、持久強度、鬆弛穩定性
• 試驗方法：單軸拉伸、三點彎等
• 意義：承載構件的意外破壞研究
• 所屬學科：冶金

簡介

所謂蠕變，就是指金屬材料在恆溫、恆載荷的長期作用下緩慢的產生塑性變形的現象。在高溫條件下，蠕變對構件產生的影響十分顯著。嚴格來說，任何溫度下金屬材料都可能產生蠕變，但低溫時並不明顯，因此可以忽略不計；但當約比溫度>0.3的時候，蠕變效應將比較明顯，此時就必須考慮蠕變的影響。溫度是對金屬材料的高溫蠕變特性造成影響的一個重要因素，隨著溫度的升高，材料的強度極限逐漸降低，常溫下用來強化金屬的各種手段，如固溶強化、沉澱強化及加工硬化等，強化效果會隨著溫度的升高而逐漸減弱。時間是影響金屬材料高溫蠕變特性的另一重要因素，在常溫下，基本可以忽略時間對金屬材料攝變特性產生的影響，但隨著溫度的升高，時間效應對蠕變特性的影響就逐漸顯現出來了。

分類

由於施加應力方式的不同，可分為高溫壓縮蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫彎曲蠕變和高溫扭轉蠕變。高溫蠕變比高溫強度能更有效地預示材料在高溫下長期使用時的應變趨勢和斷裂壽命，是材料的重要力學性能之一，它與材料的材質及結構特徵有關。

理論研究

金屬材料在溫度和應力的共同作用下，一方面位錯的運動和增殖會引起應變及強化；另一方面原子的擴散和移動則會產生回復現象，使滑移帶上的位錯通過交錯滑移和攀移的方式逐漸消失，導致應變強化消失。金屬材料的蠕變便是在這種矛盾的過程中進行的。而在高溫下，由於溫度的升高加速了原子的擴散和移動，使回復過程容易進行。因此，蠕變現象會隨著溫度的升高而越發明顯。如當碳素鋼的溫度超過450度，高合金鋼超過550度時，蠕變就會變得較為活躍。一般常利用蠕變極限、持久強度等指標來描述材料的蠕變性能。

蠕變極限

高溫構件如果在服役期內產生過量的蠕變變形，會將引起部件的早期失效。因此，需要用一個力學性能指標來描述在高溫條件下對金屬材料長期載入所產生的蠕變抗力。蠕變極限就是這樣一個力學性能指標，它表示材料對高溫蠕變變形的抗力，是高溫下選料、設計構件的主要依據之一。

持久強度

試驗時間和溫度一定，將使材料沒有發生蠕變斷裂的極值應力定義為持久強度。試驗時，以構件設計時的工作壽命為依據來確定試驗所需的時間，對於某些重要的構件，不僅對材料的蠕變極限有一定的要求，同時還要求材料具有一定的持久強度，兩者都是設計的重要依據。材料的持久強度是通過實驗的方式來測定的，除了能測定材料的持久強度外，還能測定材料的持久塑性。持久塑性是通過試樣斷裂後的延伸率和斷面收縮率來表示的，它所體現的是材料在高溫長時間作用下的塑性性能，是衡量材料蠕變脆性的一個重要指標。很多材料在高溫下，長期工作後，延伸率降低，而導致脆性破壞，如鍋爐中導管的脆性破壞及螺栓的脆性斷裂等。持久塑性一般與試驗時間成反比，但可能會在某一時間段出現最小值，而後隨著時間的增加，持久塑性會有所上升，持久塑性最小值出現與材料內部組織在高溫下發生變化有關，因此與溫度也有一定的關係。

鬆弛穩定性

材料變形恆定，彈性應力隨時間逐漸降低的現象稱為應力鬆弛。而鬆弛穩定性是指材料抵抗應力鬆弛的能力。材料的鬆弛穩定性取決於材料的成分、組織等內部因素。通過鬆弛試驗測定的應力鬆弛曲線即可評定材料的鬆弛穩定性。在規定溫度下，對試樣載入，並保持初始變形量恆定，就能通過試驗測得材料的鬆弛曲線。試驗過程中，試樣中的應力隨時間不斷減小。將應力鬆弛試驗中任意時間點試樣上殘餘的應力稱為剩餘應力。鬆弛穩定性可以評價材料高溫下的預緊能力。對於那些高溫狀態下工作的緊固件，在選材和設計時，就應當注意材料的鬆弛穩定性。如高溫容器和管道的緊固件，在工作過程中，如果材料的鬆弛穩定性較差，那么剩餘應力會隨著工作時間的推移變得越來越小，當剩餘應力小於緊固件的預緊應力時，就會產生泄漏。

蠕變試驗方法

單軸拉伸蠕變試驗

蠕變試驗方法之一採用單軸拉伸試驗溫度一定的條件下，將一組試樣置於不同應力下進行試驗，得到一組孺變曲線，然後畫出該溫度下應力與規定時間蠕變速率的關係曲線，即可求出規定蠕變速率下的蠕變極限。

三點彎小試樣蠕變試驗

單軸拉伸蠕變試驗方法用材較多且對試樣尺寸要求嚴格。微小型試樣技術是解決這種問題的有效方法。因此，馬淵睿等人通過將微小型試樣技術與三點彎曲蠕變試驗方法相結合，提出了三點彎小試樣試驗方法。通過推導得到了三點彎小試樣試驗方法的方程理論公式，使其實驗數據可與單軸拉伸蠕變試驗結果相互轉換。為三點彎小試樣試驗方法在工程中的套用提供了可靠的理論依據。

Cryo-Cracking

該試驗技術是一種通過分析試樣低溫脆斷後的斷口形貌，從其二維圖像獲得的數據定量反映蠕變斷裂失效程度的實驗方法。此方法試樣製備過程簡單，對制樣者的製造水平要求不高，有利於減少因製造水平差異而引起的誤差。屈金山等人通過“Cryo-Cracking”試驗技術對長期在高溫環境下服役的焊管接頭的蠕變失效問題進行了分析和評定，通過對金屬斷口進行分析，利用面積損壞因子表征了蠕變的失效程度。

意義

目前在石油化工、能源、醫藥、冶金等行業中，高溫及腐燭性較強的產品非常普遍，由此對承載構件的安全可靠性就提出了更高的要求。這些承載構件的意外破壞將可能會導致災難性的後果和重大的經濟損失。

調查發現，大多數高溫環境承載構件的失效是由高溫、高壓作用引起的高溫蠕變所致。不同金屬材料的組織、化學成分和熱物理性能都存在著較大的差異，因此其蠕變性能的高低也不盡相同。例如，低合金鋼和不鏽鋼之間的蠕變性能就存在很大的差異。鑒此，研究金屬材料的高溫蠕變特性就顯得尤為重要。

現如今，在研究金屬材料蠕變特性時，除單軸拉伸蠕變試驗方法外，研究者還提出了微小型試樣技術等新型試驗方法。新的方法能解決單軸拉伸蠕變拉伸試驗耗材多、試樣製備要求嚴格等問題，但仍然耗時費力。且對於在役設備來說，這些方法都會不同程度影響設備的正常運行。