[科普中国]-蠕变曲线

阶段

高温下试件的应变量和时间关系曲线如图所示。这个曲线也称为蠕变曲线。可看出，蠕变可以分为三个阶段：第一阶段：蠕变速率（Δε/Δt ）随时间而呈下降趋势。

第二阶段：蠕变速率不变，即（Δε/Δt ）=常数，这一段是直线。

第三阶段：蠕变速率随时间而上升，随后试样断裂。1

蠕变机制温度较高时原子的活动能力提高，使得产生塑性变形的位错滑移更为容易，所以，在较高温下低于屈服极限的应力就足以造成材料塑性变形。随着材料的塑性变形，加工硬化亦随之产生，材料开始强化，变形抗力加大，所以：

第一阶段：变形速率随时间而下降。

第二阶段：是稳态阶段。此时，变形产生的加工硬化和回复、再结晶同时进行，材料未进一步硬化，所以变形速率基本保持恒定。

第三阶段：愈来愈大的塑性变形便在晶界形成微孔和裂纹，试件也开始产生缩颈，试件实际受力面积减小而真实应力加大，因此在塑性变形速率加快，最后导致试件断裂。1

蠕变强度蠕变强度是指材料在某一温度下,经过一定时间后，蠕变量不超过一定限度时的最大允许应力。长期蠕变强度对发电设备等长时间使用的高温结构件来说是最基础、最重要的材料特性。火力发电厂及化工设备等高温结构件的设计，一般参照10万小时持久强度，但在一部分国家中，也进行以20万小时持久强度为基础的设计。因此，为了维持设备的高安全性，精良而确切地把握材料长时间蠕变强度特性是很重要的问题。

金属材料技术研究所从以上观点出发，对于超过40种实际应用的耐热金属材料，实施了以取得最长到10万小时蠕变断裂数据为目的的蠕变数据计划。已经得到大量长时间蠕变试验数据，以这些数据为基础，进行铁素体系耐热钢长期蠕变强度特性系统解析，分析结果发现了意义很深刻的知识，将它作为基本蠕变强度概念进行了报导。基体蠕变强度不依赖于细微组织形态和延续时间的强度特性。由于第二相的折出，弥散及合金元素的固溶强化或者加工硬化等各种因子而使蠕变强度提高。

但是，在蠕变形成为问题的高温中，因为发生扩散活泼化，材料的细微组织状态不稳定，发生折出相的凝集粗大化等的恢复。所以，依赖于细微组织形态强化因子的效果，随时间的经过而慢慢减少，蠕变强度下降。细微组织只有经过完全回火，经过充分时间的高温、长时间，依赖于细微组织形态的强化因子效果才消失，蠕变强度不依赖于时间的经过而成为固有的强度特性。以上的想法是基体蠕变强度概念，是不依赖于细微组织的稳定强度特性，即基体蠕变强度。

为了通过试验求长时间蠕变强度特性，需要很多的劳力和时间，从短时间的外推，高精度的推测是很困难的事。但是，可以想像从基体蠕变强度概念，确切而且容易的评价长时间蠕变强度特性将成为可能。因此，了解基体蠕变强度支配因子是很重要的问题。作为涉及基体蠕变强度的影响因子，认为有基体强度、晶粒直径、氧化物弥散强化。氧化物弥散强化是关系到极少一部分材料，所以，为了弄清实用材料的基体蠕变强度特性支配因子，着眼于基体强度而研究基体蠕变强度是很重要的问题。2

蠕变试验检测金属材料在一定的温度和外力作用下发生的形变、形变速率、断裂或应力变化等的试验方法。

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第二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，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，温度不变时第二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10-5（%/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，其中最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。1

持久强度试验蠕变断裂抗力判据是持久强度极限，即在一定温度下和规定时间内不产生断裂的最大应力。对于某些在高温运转中不考虑形变量、只考虑使用寿命的构件，持久强度极限是重要的设计依据。持久强度试验同蠕变试验相似，但在试验过程中只确定试样的断裂时间。试样断口形貌依试验条件而异， 在高温和低应力下多为沿晶界断裂。根据一般经验公式认为，当温度不变时，断裂时间与应力两者的对数呈线性关系。据此可用内插法或外推法求出持久强度极限。为了保证外推结果的可靠性，外推时间一般不得超过试验时间10倍。

试验断裂后的伸长率和断面收缩率表征金属的持久塑性。若持久塑性过低，材料在使用过程中会发生脆断。持久强度缺口敏感性qg是用在相同断裂条件下缺口试样与光滑试样两者的持久强度极限的比值表示。缺口敏感性过高时，金属材料在使用过程中往往过早脆断。持久塑性和持久强度缺口敏感性均为高温金属材料的重要性能判据。

持久强度试验通常在恒定的温度和载荷下进行。近年来各国一些实验室发展出变温变载的持久强度试验方法，为接近使用条件下构件持久强度性能测试开拓出新途径。

应力松弛试验：在金属构件总形变恒定的条件下，由于弹性形变不断转变为塑性形变，从而使应力不断减小的过程称为应力松弛。这种现象多出现于弹簧、螺栓以及其他压力配合件，高温下尤为显著。因此，应力松弛试验通常在高温下进行。图2中曲线第一阶段持续时间较短，应力随时间急剧下降。第二阶段持续时间较长，并趋于恒定。通常以规定时间后的剩余应力作为金属应力松弛抗力的判据。

应力松弛试验可用来确定栓接件在高温下长期使用时保持足够紧固力所需要的初始应力，预测密封垫密封度的减小、弹簧弹力的降低、预应力混凝土中钢筋的稳定性，以及判明锻件、铸件和焊接件消除残余应力所需要的热处理条件。对于用作紧固件的金属材料常在不同温度和不同初始应力下进行应力松弛试验，以便对其性能有较全面的了解。试验条件对应力松弛试验结果影响显著。控制总形变量的恒定性和温度的稳定性是保证试验结果有良好重现性的关键。3