[科普中國(guó)]-蠕變極限

簡(jiǎn)介

金屬材料在一定溫度和長(zhǎng)時(shí)間受力狀態(tài)下，即使所受應(yīng)力小于其屈服強(qiáng)度，但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，也會(huì)慢慢地產(chǎn)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為蠕變。金屬材料在一定溫度和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)的蠕變變形量或蠕變速度不超過某一規(guī)定值時(shí)所能承受的最大應(yīng)力，稱為蠕變極限。

蠕變極限單位為帕斯卡，用符號(hào)σ表示。符號(hào)σ?guī)в腥齻€(gè)指數(shù),如σ0.2700/100,即表示試驗(yàn)溫度為700℃時(shí),經(jīng)100小時(shí)試驗(yàn)后, 允許伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的蠕變極限。此時(shí)還必須注明,蠕變極限是按總伸長(zhǎng)率或殘余伸長(zhǎng)率測(cè)得的。在以給定的蠕變速度測(cè)定的蠕變極限時(shí),符號(hào)σ?guī)в卸€(gè)指數(shù)。如 σ1×10,即表示在試驗(yàn)溫度為600℃時(shí),蠕變速度為1×10%時(shí)的蠕變極限。此時(shí)必須注明測(cè)得規(guī)定蠕變速度的試驗(yàn)時(shí)間。蠕變極限的單位為帕斯卡1。

耐熱合金蠕變極限預(yù)測(cè)方法蠕變極限是評(píng)定耐熱合金高溫強(qiáng)度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。根據(jù)材料的工作條件，通常使用的蠕變極限有兩種，一種是在規(guī)定溫度下引起規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速度的應(yīng)力值。另一種是在規(guī)定溫度下及規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)引起規(guī)定蠕變伸長(zhǎng)的應(yīng)力值。在給定試驗(yàn)溫度下，欲求得某種合金的關(guān)系遠(yuǎn)較測(cè)定關(guān)系復(fù)雜。

在對(duì)耐熱合金蠕變極限預(yù)測(cè)方法的探討中，通過對(duì)G106鋼和GH169鋼的原始蠕變曲線中三個(gè)參數(shù)的推導(dǎo)，得到普遍公式，可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其、它應(yīng)力下的蠕變極限。從而節(jié)約大量試樣，提高了試驗(yàn)效率和試驗(yàn)質(zhì)量2。

選擇短時(shí)蠕變極限的β系數(shù)法求合金的蠕變極限的關(guān)鍵是選擇應(yīng)力。實(shí)際工作中采用嘗試法選擇應(yīng)力。這種方法不但有盲目性，而且所選應(yīng)力也不夠準(zhǔn)確。根據(jù)實(shí)踐提出用β系數(shù)法來選擇短時(shí)蠕變極限。這種方法根據(jù)β系數(shù)可有目的地選擇應(yīng)力。β系數(shù)法測(cè)定短時(shí)蠕變極限數(shù)據(jù)可靠、節(jié)省試樣，較應(yīng)力嘗試法更有目的性2。

鈦制壓力容器的室溫蠕變極限鈦材比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好，同時(shí)具有較強(qiáng)的斷裂韌性，克服了普通結(jié)構(gòu)材料在比強(qiáng)度與斷裂韌性上不可兼得的缺點(diǎn)。由于工業(yè)純鈦良好的耐蝕性能和可加工變形性能使其應(yīng)用普遍，成為化工設(shè)備的主要材料之一。雖然工業(yè)純鈦具有較好的綜合性能，在使用過程中同樣會(huì)出現(xiàn)損傷、失效，嚴(yán)重影響了鈦制設(shè)備的安全運(yùn)行。隨著鈦材在壓力容器中的大量使用，承壓結(jié)構(gòu)的安全問題越來越引起廣泛重視。眾所周知，金屬材料在高溫下會(huì)產(chǎn)生顯著地蠕變行為，并且影響高溫結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。不少材料在中低溫甚至室溫下也存在顯著的蠕變現(xiàn)象。其中工業(yè)純鈦的室溫蠕變行為較為顯著。近年來關(guān)于工業(yè)純鈦室溫蠕變行為的研究也比較豐富，包括蠕變特征與變形機(jī)制的研究，本構(gòu)方程與壽命預(yù)測(cè)方法的研究。當(dāng)材料不考慮蠕變行為時(shí)，運(yùn)用應(yīng)力一應(yīng)變曲線就能得到材料許用應(yīng)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。當(dāng)材料考慮蠕變行為時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮蠕變的影響。綜合考慮材料的拉伸與蠕變時(shí)，等時(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線可應(yīng)用于存在顯著蠕變變形的結(jié)構(gòu)。中外學(xué)者給出了各種材料高溫等時(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線，同時(shí)也廣泛地應(yīng)用于計(jì)算高溫結(jié)構(gòu)的承載能力以及構(gòu)建與時(shí)間相關(guān)的失效評(píng)定圖。彭劍環(huán)良據(jù)工業(yè)純鈦的拉伸與蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果提出了不同溫度下的等時(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線，這在一定程度上為鈦制結(jié)構(gòu)的評(píng)定提供了可能。

極限載荷理論作為衡量結(jié)構(gòu)最大承載能力的參量，已經(jīng)得到深入廣泛的研究。對(duì)于存在蠕變特征的材料，其極限載荷與室溫極限載荷不同。薛吉林等根據(jù)等時(shí)應(yīng)力一應(yīng)變的概念提出了蠕變極限載荷高溫環(huán)境下服役結(jié)構(gòu)的極限載荷，并且將此概念應(yīng)用到了含缺陷高溫管道的安全評(píng)定。

隨著蠕變時(shí)間的增加，極限載荷先快速下降然后緩慢下降，在0h≤t≤100h時(shí)，極限載荷下降顯著，但是隨后在100h≤t≤100000h時(shí)，極限載荷變化趨緩。

根據(jù)有限元結(jié)果給出了TA2壓力容器室溫極限載荷的預(yù)測(cè)公式。該公式能夠同時(shí)體現(xiàn)蠕變時(shí)間對(duì)極限載荷的劣化作用以及許用應(yīng)變對(duì)極限載荷的強(qiáng)化作用，還能反應(yīng)映徑比對(duì)極限載荷的增強(qiáng)作用3。