[科普中国]-高温蠕变

简介

所谓蠕变，就是指金属材料在恒温、恒载荷的长期作用下缓慢的产生塑性变形的现象。在高温条件下，蠕变对构件产生的影响十分显著。严格来说，任何温度下金属材料都可能产生蠕变，但低温时并不明显，因此可以忽略不计；但当约比温度>0.3的时候，蠕变效应将比较明显，此时就必须考虑蠕变的影响。温度是对金属材料的高温蠕变特性造成影响的一个重要因素，随着温度的升高，材料的强度极限逐渐降低，常温下用来强化金属的各种手段，如固溶强化、沉淀强化及加工硬化等，强化效果会随着温度的升高而逐渐减弱。时间是影响金属材料高温蠕变特性的另一重要因素，在常温下，基本可以忽略时间对金属材料摄变特性产生的影响，但随着温度的升高，时间效应对蠕变特性的影响就逐渐显现出来了。1

分类由于施加应力方式的不同，可分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温弯曲蠕变和高温扭转蠕变。高温蠕变比高温强度能更有效地预示材料在高温下长期使用时的应变趋势和断裂寿命，是材料的重要力学性能之一，它与材料的材质及结构特征有关。

理论研究金属材料在温度和应力的共同作用下，一方面位错的运动和增殖会引起应变及强化；另一方面原子的扩散和移动则会产生回复现象，使滑移带上的位错通过交错滑移和攀移的方式逐渐消失，导致应变强化消失。金属材料的蠕变便是在这种矛盾的过程中进行的。而在高温下，由于温度的升高加速了原子的扩散和移动，使回复过程容易进行。因此，蠕变现象会随着温度的升高而越发明显。如当碳素钢的温度超过450度，高合金钢超过550度时，蠕变就会变得较为活跃。一般常利用蠕变极限、持久强度等指标来描述材料的蠕变性能。

蠕变极限高温构件如果在服役期内产生过量的蠕变变形，会将引起部件的早期失效。因此，需要用一个力学性能指标来描述在高温条件下对金属材料长期加载所产生的蠕变抗力。蠕变极限就是这样一个力学性能指标，它表示材料对高温蠕变变形的抗力，是高温下选料、设计构件的主要依据之一。

持久强度试验时间和温度一定，将使材料没有发生蠕变断裂的极值应力定义为持久强度。试验时，以构件设计时的工作寿命为依据来确定试验所需的时间，对于某些重要的构件，不仅对材料的蠕变极限有一定的要求，同时还要求材料具有一定的持久强度，两者都是设计的重要依据。材料的持久强度是通过实验的方式来测定的，除了能测定材料的持久强度外，还能测定材料的持久塑性。持久塑性是通过试样断裂后的延伸率和断面收缩率来表示的，它所体现的是材料在高温长时间作用下的塑性性能，是衡量材料蠕变脆性的一个重要指标。很多材料在高温下，长期工作后，延伸率降低，而导致脆性破坏，如锅炉中导管的脆性破坏及螺栓的脆性断裂等。持久塑性一般与试验时间成反比，但可能会在某一时间段出现最小值，而后随着时间的增加，持久塑性会有所上升，持久塑性最小值出现与材料内部组织在高温下发生变化有关，因此与温度也有一定的关系。

松弛稳定性材料变形恒定，弹性应力随时间逐渐降低的现象称为应力松弛。而松弛稳定性是指材料抵抗应力松弛的能力。材料的松弛稳定性取决于材料的成分、组织等内部因素。通过松弛试验测定的应力松弛曲线即可评定材料的松弛稳定性。在规定温度下，对试样加载，并保持初始变形量恒定，就能通过试验测得材料的松弛曲线。试验过程中，试样中的应力随时间不断减小。将应力松弛试验中任意时间点试样上残余的应力称为剩余应力。松弛稳定性可以评价材料高温下的预紧能力。对于那些高温状态下工作的紧固件，在选材和设计时，就应当注意材料的松弛稳定性。如高温容器和管道的紧固件，在工作过程中，如果材料的松弛稳定性较差，那么剩余应力会随着工作时间的推移变得越来越小，当剩余应力小于紧固件的预紧应力时，就会产生泄漏。1

蠕变试验方法单轴拉伸蠕变试验蠕变试验方法之一采用单轴拉伸试验温度一定的条件下，将一组试样置于不同应力下进行试验，得到一组孺变曲线，然后画出该温度下应力与规定时间蠕变速率的关系曲线，即可求出规定蠕变速率下的蠕变极限。

三点弯小试样蠕变试验单轴拉伸蠕变试验方法用材较多且对试样尺寸要求严格。微小型试样技术是解决这种问题的有效方法。因此，马渊睿等人通过将微小型试样技术与三点弯曲蠕变试验方法相结合，提出了三点弯小试样试验方法。通过推导得到了三点弯小试样试验方法的方程理论公式，使其实验数据可与单轴拉伸蠕变试验结果相互转换。为三点弯小试样试验方法在工程中的应用提供了可靠的理论依据。2

Cryo-Cracking该试验技术是一种通过分析试样低温脆断后的断口形貌，从其二维图像获得的数据定量反映蠕变断裂失效程度的实验方法。此方法试样制备过程简单，对制样者的制造水平要求不高，有利于减少因制造水平差异而引起的误差。屈金山等人通过“Cryo-Cracking”试验技术对长期在高温环境下服役的焊管接头的蠕变失效问题进行了分析和评定，通过对金属断口进行分析，利用面积损坏因子表征了蠕变的失效程度。1

意义目前在石油化工、能源、医药、冶金等行业中，高温及腐烛性较强的产品非常普遍，由此对承载构件的安全可靠性就提出了更高的要求。这些承载构件的意外破坏将可能会导致灾难性的后果和重大的经济损失。

调查发现，大多数高温环境承载构件的失效是由高温、高压作用引起的高温蠕变所致。不同金属材料的组织、化学成分和热物理性能都存在着较大的差异，因此其蠕变性能的高低也不尽相同。例如，低合金钢和不锈钢之间的蠕变性能就存在很大的差异。鉴此，研究金属材料的高温蠕变特性就显得尤为重要。

现如今，在研究金属材料蠕变特性时，除单轴拉伸蠕变试验方法外，研究者还提出了微小型试样技术等新型试验方法。新的方法能解决单轴拉伸蠕变拉伸试验耗材多、试样制备要求严格等问题，但仍然耗时费力。且对于在役设备来说，这些方法都会不同程度影响设备的正常运行。1