高温蠕变阶段划分与加速蠕变曲线特征分析

6.8.1.1 蠕变现象

金属在一定温度和一定应力作用下，随着时间的增加，塑性变形缓慢地增加的现象称为蠕变。

图6-167所示为典型的蠕变曲线（ε-t曲线），它可划分为三个区域（或三个阶段）。

图6-167 典型的蠕变曲线

区域Ⅰ（ab）为第一阶段，是减速蠕变阶段。加载后蠕变速度）逐渐减少，如图6-168所示。

区域Ⅱ（bc）即第二阶段，是恒速蠕变阶段。这一阶段应变速度几乎恒定，相对Ⅰ、Ⅲ阶段而言，此时蠕变速度最小。通常所说的蠕变速度都是指恒速蠕变阶段速度。

图6-168 ε·-t关系曲线

区域Ⅲ（cd）即第三阶段，是加速蠕变阶段。当变形达到c以后，蠕变速度迅速增加，达到d时试样断裂。

当在恒定温度下改变应力或在恒定应力下改变温度时，所得的蠕变曲线（图6-169、图6-170）都保持这三个阶段。但当应力较小或温度较低时，则其第二阶段（即等速蠕变阶段）可以延续得很长；相反当应力较大或温度较高时，则第二阶段可能很短甚至消失，这时蠕变就只有第一、第三阶段，试样将在短时间内断裂。

图6-169 应力对蠕变曲线的影响（温度一定）

图6-170 温度对蠕变曲线的影响

[载荷（初始应力）一定]

蠕变曲线所表示的ε-t关系常采用下式表示：

ε=ε₀+βtⁿ+kt （6-103）右边第一项是瞬时应变，包括起始弹性和塑性形变（这个值随加载方法、形变的测定方法和精度等的不同，可能带来不同的误差），第二项是减速蠕变引起的应变，第三项是恒速蠕变引起的应变。

将式（6-103）对时间求导，则得

式中，n为小于1的正数。

当t很小时，右边第一项起决定作用。随着时间增加，应变速度逐渐减小，它表示第一阶段蠕变。当时间继续增大时，第二项开始起主要作用，此时应变速度接近恒定值，即表示第二阶段蠕变。

6.8.1.2 蠕变极限及其测定方法

金属拉伸蠕变试验方法在GB/T 2039—2012中有详细规定。材料的蠕变极限是根据蠕变曲线来确定的。确定蠕变极限有两种方法。第一种方法：在一定温度下，当蠕变第二阶段内的蠕变速度恰好等于某一规定值时，把对应的应力值定义为条件蠕变极限。为了清楚起见，把这种条件下的蠕变极限记为（MPa）[其中T表示试验温度（℃），为第二阶段的蠕变速度%/h]，例如σ⁶⁰⁰_1×010-5=60MPa表示温度为600℃，蠕变速度为1×10^-5%/h条件下的蠕变极限。第二种方法为：在一定温度下，在规定的时间内，恰好产生某一允许的总变形量，把对应的应力值定义为条件蠕变极限，这种条件下的蠕变极限记为σ^T_δ/t（MPa）（其中δ/t表示在规定时间t内，使试样产生蠕变变形量δ%），例如δ⁵⁰⁰_1/105=10MPa表示材料在500℃温度下，10万h后变形量为1%的蠕变极限为10MPa。

这种条件蠕变极限可以这样来确定：首先在一定温度T₁、恒定应力σ₁下作蠕变试验（图6-169）。这时无需花费很多时间做出整条蠕变曲线，只需进行到蠕变第二阶段若干时间后，便可从σ-ε-t曲线上确定此时的第二阶段的平均蠕变速度。同样若保持温度T₁而改变应力为σ₂，便可得……，这样可得到T₁温度下与一系列不同应力σ相应的，可做出图6-171所示的曲线。因在双对数坐标上表现为一直线，故该曲线可用下述经验公式表示：

图6-171 不同温度下lgσ-lgε·曲线

式中 a、b——与试验温度、材料及试验条件有关的常数。

如果在动力工程中（如燃气轮机、电站等）规定，在T₁温度下，则根据，在直线上很容易确定T₁温度的蠕变极限σ_e。

另外，根据lgσ-lgε·曲线的线性关系可以看出，在采用较大应力，用较短的时间做出几条蠕变曲线后，便可用外推法求出较小蠕变速度下的蠕变极限。这种方法有时并不可靠，使用时要谨慎。

各种Cr-Mo钢的蠕变强度随温度的变化曲线如图6-172所示。由该图可以看出，随温度升高，蠕变强度明显下降。(www.xing528.com)

图6-172 各种Cr-Mo钢的蠕变强度

①℉为华氏温度单位，与摄氏温度换算关系为其中，T表示摄氏温度，θ表示华氏温度。

测定蠕变极限的试验装置如图6-173所示。

6.8.1.3 持久强度极限、持久塑性及其测定方法

1.持久强度极限 蠕变极限以考虑变形为主，如汽轮机和燃气轮机叶片在长期运行中，只允许产生一定量的变形，在设计时必须考虑蠕变极限。持久强度极限主要考虑材料在高温长时间使用下的断裂抗力，对某些零件（如锅炉管道、喷气发动机等）的蠕变变形要求不严，但必须保证在使用时不破坏，这就要求用持久强度极限作为设计的主要依据。

图6-173 蠕变试验机原理图

1—引伸计 2—炉温控制用白金电阻丝 3—试片 4—电阻炉 5—平衡重锤 6—均热电风扇

7—热电偶8—重锤9—重锤支座

金属高温拉伸持久试验方法在GB/T 2039—2012中有详细规定。持久强度极限是指试样在一定温度和规定的持续时间内，引起断裂的最大应力值，记作σ^T_t（MPa）。例如σ⁷⁰⁰_1×103=300MPa表示某材料在700℃，经1000h后发生断裂的应力（即持久强度极限）为300MPa。

图6-174 各种耐热材料的持久强度极限

注：保持时间均为100h。

各种耐热材料和耐热合金的持久强度极限如图6-174和图6-175所示。

锅炉、汽轮机等机组的设计寿命为数万至数十万小时。对于长寿命的持久强度极限，可以通过采用增大应力，缩短断裂时间的方法，根据经验公式外推到低应力长时间情况下材料的持久强度极限。下面简要叙述对数外推法。

图6-175 各种耐热合金的持久强度极限

注：试验温度均为980℃。

应用较为普遍的经验公式：

t=Aσ^-B （6-106）

式中 A、B——与试验温度、材料有关的常数。

对式（6-106）取对数即得

lgt=lgA-Blgσ（6-107）式（6-107）表明：断裂时间的对数值（lgt）与应力的对数值（lgσ）之间呈线性关系。根据式（6-107），可以从较短时间的试验数据外推出长时间的持久强度极限。通常用4～8根试样求出不同应力下的断裂时间，即可进行外推。

但必须注意，上述持久强度极限直接外推法是近似的，试验点并不完全符合线性关系。实际上是一条具有二次转折的曲线（图6-176）。对于不同的材料和试验温度，转折的位置和形状各不相同。这种转折与高温加载下钢中组织结构的变化有关。因此，用式（6-107）的线性方式只是近似的方法。对于某些组织不稳定的钢，其转折非常明显，直线外推法就可能带来较大的误差。

图6-176 10CrMo910钢550℃的持久强度极限曲线

在作持久强度试验时，试验点的选取应充分反映曲线的全貌。若单纯选取转折前或转折后的试验点，就可能导致较大的误差。对于某些设计强度容量比较小的零部件，材料试验时间要适当长一些，例如尽可能做到曲线出现转折以后。若转折出现较迟，也应考虑安排一个甚至几个较长时间的试验点（如1万h以上）。

2.持久塑性 持久塑性是在持久强度试验中，用试样在断裂后的伸长率和断面收缩率来表示的。它反映材料在高温长时间作用下的塑性性能，是衡量材料蠕变脆化的一个重要指标。很多材料在高温长时间工作后，伸长率大为降低，往往发生脆性断裂。由于它与缺口敏感性、低周疲劳及裂纹扩展抗力等有关，故近年来材料的持久塑性受到重视。一般要求持久塑性不小于3%。

金属材料的持久强度与持久塑性的试验测定比较简单，不需测定变形过程中的伸长量，只要测定给定温度和应力下的断裂时间、断裂后的伸长率和断面收缩率。