航空材料蠕变性能快速测定

目前国内采用的蠕变试验方法主要有GB/T 2039—2012、HB 5151—1996和ASTM E 139—2011，可以根据不同的测试要求选择相应的试验方法。

1.蠕变试验的目的与用途

进行蠕变试验主要有两种目的：一种是通过试验确定已选定材料在用它所制作零件的工作条件下的蠕变抗力；另一种是对一种新材料的蠕变特性做全面鉴定，即温度和应力在一定范围内波动，求得蠕变抗力和这些条件的关系。在实际试验中，一般通过测定材料在恒定温度和恒定拉伸负荷作用下达到规定应变的时间或至规定时间的应变不超过规定值的最大应力来作为选材和高温机械设计的重要指标之一。

2.蠕变试样

蠕变试样根据形状分为圆形横截面试样和矩形横截面试样。圆形横截面试样直径d₀一般为5～10mm，原始计算长度为5d₀或10d₀（也可采用12.5d₀）。在被测材料取样不受限时，原则上选用大尺寸的试样，因为尺寸因素对蠕变性能的影响，用大尺寸的试样进行测试能更好地反映材料的蠕变性能。标准方法中推荐的圆形横截面标准蠕变试样如图16-19所示。若被测试材料由于尺寸所限，取不出标准试样时，可选择非标准试样进行试验，但在试验报告中必须注明试样尺寸。

图16-19 圆形横截面标准蠕变试样

矩形横截面蠕变试样厚度一般在1～5mm范围内，试样宽度为6～15mm，原始计算长度为50～100mm。推荐使用图16-20所示的矩形横截面标准蠕变试样。

图16-20 矩形横截面标准蠕变试样

蠕变试样装夹引伸计的凸肩确定了蠕变试样的标距，凸肩的加工尺寸将直接影响引伸计的安装质量、蠕变数据的采集和伸长率的计算精确度。试样头部可按试样在试验机夹头中的固定方式及引伸计在试样上的固定方式而任意设计。试样头部与计算长度之间应有过渡圆弧，对于圆形横截面试样，过渡圆弧半径应不小于直径的1/4，对于矩形横截面试样，过渡圆弧半径应不小于宽度的1/4。矩形横截面试样一般应保留原表面。试样在整个制作过程中，不应使金属受加工硬化或热作用而改变金属的性质。具有机械损伤、表面夹杂、分层、气孔、气泡、裂纹等缺陷的试样，不允许进行试验。不允许对试样进行矫直或其他形式的矫正。矩形横截面试样一般应保留原表面，如技术条件或双方协议另有要求时，可磨光表面。

3.试验设备及仪器

（1）试验机 同持久试验机。

（2）变形测量仪器 蠕变变形测量的引伸计应如实传递试样的变形，使用的变形测量传感器主要有差动变压器、磁栅测量仪和光栅测微传感器等几种。变形测量仪器的最小分度值应不大于所测蠕变变形量的1%，精确度不低于0.2%，变形测量自动记录系统的准确度不低于2μm，变形测量记录系统应定期进行校准。

（3）高温炉 高温炉是蠕变试验的加热装置，具体要求同持久试验的高温炉。除非用户允许，否则禁止将感应加热炉应用于蠕变试验。(www.xing528.com)

（4）测温、控温装置 同持久试验的测温、控温装置。

4.测试方法要点

（1）试验前准备工作 试验开始前，要检查试样加工合格证，填写试验原始记录表，选择试验夹具及热电偶。检查试验设备机械系统运转是否正常，检查机器温度控制系统、温度测量系统和变形测量系统是否正常；确认设备完好，在有效检定期内方可进行试验测试。

（2）尺寸测量 测量试样的长度和宽度应使用精度不低于0.02mm的量具，测量试样的直径和厚度应使用精度不低于0.01mm的量具。在原计算长度上测量的试样尺寸不少于3处（两端和中间），对于圆形试样应在每处相互垂直方向上测量，用测得的最小平均尺寸计算其横截面积。对于矩形试样，用测得的横截面积最小值作为横截面积。

（3）试样装夹 装夹试样前，一般先根据试验条件和试样规格选择试验机、夹具和引伸计。装夹时，先将高温炉推向最高位置，使上、下夹具置于炉体之外；先将试样装夹于下拉杆夹具，套上引伸计杆，根据试样标距长度选择相应数量的热电偶绑于试样标距范围内，套上上引伸计杆，再将试样装入上拉杆夹具，安装紧固弹簧稳定引伸计，调整上、下引伸计杆与试样和拉杆夹具的平行度。最后查看引伸计的装夹，确保引伸计装夹不受力，保证试验数据采集的精确度。

（4）同轴度测量与校正 蠕变试验要求试样在加热炉内不应受到非轴向力的作用，蠕变引伸计是测量试样变形的引伸机构，试样和引伸计的装夹质量会对蠕变变形的采集产生一定的影响，为了减少由于试样和引伸计的装夹对于试验采集数据准确性的影响，蠕变试验要求在试验前进行装夹同轴度检查，一般采用分级加载的方式，分4～6级载荷逐级加载测量两支变形测量传感器的变形值来计算同轴度。试验前，在室温下用适当增量的力来检查引伸计的装夹质量，必要时对引伸计进行调整，使两支变形测量传感器读数的平均值与任一侧读数之差除以平均值的百分比不大于10%。检查试样装夹质量时，应满足下列要求：在初载荷的基础上，以总载荷的10%递增4～6次，分级测量试样同轴度，其值不大于10%时方可进行蠕变试验。

（5）温度测量与控制 蠕变试验高温炉的控温方式有直接控温和间接控温两种方式。直接控温一般根据试样标距长度来确定使用热电偶的数量，标距小于50mm的试样，一般在标距两端各绑一支热电偶，标距大于或等于50mm的试样，应在试样中部绑第三支热电偶，热电偶的工作端应与试样表面紧密接触，防止炉壁的热辐射，同时还要避免热电偶的短路；热电偶应绑在试样竖直方向的一条线上，且两支热电偶不能靠得太近。间接控温一般由高温炉电热元件的组数固定热电偶的数量。

用热电偶测量温度时，热电偶应保持长期使用稳定，对超过检定周期长期连续使用的热电偶，试验前和试验后都应进行校验。试验温度测量一般使用智能采集表自动巡回检测，试验温度数据采集频率可以根据需要随意设定，一般至少1h进行一次温度定时采集，试验温度测量采集系统应有温度波动及梯度超差实时报警系统，在试验过程中对试验温度进行实时监测，温度异常超差报警时，试验人员应及时寻找原因使试验温度恢复正常。

在试验升温、保温时试验温度应符合表16-4的规定。

（6）升温、保温和加力规定 在升温过程中，为了防止温度过冲，可采用阶段升温的方式，逐步缓慢升温至试验规定温度。

升温过程可对试样施加初始试验力，此力值应不大于总试验力的10%，并且不应大于10MPa。试验保温时间至少1h，最多不超过24h。保温至试验温度稳定后，电子蠕变试验机可通过程序控制缓慢平稳地施加试验力，杠杆式蠕变试验机一般根据加载载荷大小将加载砝码分成适当级数，一般不少于4～6级，逐级加载并记录施加每级试验力的变形值，在力-伸长曲线上求得弹性变形及起始塑性变形值。

（7）变形测量及试验数据记录 蠕变变形从施加全部试验力瞬间开始测量和记录。采用计算机系统自动采集数据的，可按照实际数据需求随意设定数据采集频率自动采集记录蠕变变形。在试验过程中应记录温度及受力状态的异常现象及处理情况，并在试验报告中注明。在蠕变试验中，当由于某些故障或蠕变变形量超过变形测量传感器有效量程必须调整引伸计时，应将调整前后的数值衔接起来，并排除调整引伸计而产生的误差。

（8）试验过程中的注意事项及应急处理措施 试验过程中应确保试验温度和载荷恒定，温度符合表16-4的规定。试验过程中因发生意外故障中途停止试验时，不能去除试样上的负荷，但需扣除温度超出表16-4规定的时间和变形，若蠕变曲线发生异常，则试验结果做废。