金屬材料的高溫蠕變

大量的化工容器是在高于室溫的條件下工作的。金屬材料的強(qiáng)度隨溫度而發(fā)生變化。

對(duì)高溫壓力容器要區(qū)別兩種不同的情況。

第一種是工作溫度在容器材料的蠕變溫度以下，設(shè)計(jì)時(shí)是以該材料在工作溫度下的機(jī)械強(qiáng)度為基準(zhǔn)，按通常的安全系數(shù)選取許用應(yīng)力。

第二種是工作溫度在容器材料的蠕變溫度以上，此時(shí)必須考慮材料的蠕變特性，按照容器的設(shè)計(jì)壽命來確定許用的應(yīng)力水平。

本節(jié)要討論的是第二種情況。

? 蠕變溫度指材料開始呈現(xiàn)蠕變現(xiàn)象的溫度，對(duì)各種不同材料是 不同的。一般金屬材料的蠕變溫度Tc為： 

式中，Tm為金屬材料的熔點(diǎn)(K)。實(shí)際上，每種具體鋼號(hào)或金屬牌號(hào)都 有不同的蠕變溫度。大體上：碳鋼 > 350oC 低合金鋼 > 400~450oC 耐熱合金鋼 > 600oC  

? 有色金屬及其合金的蠕變溫度較低，如鉛及鈦等在室溫時(shí)受載就 會(huì)發(fā)生蠕變。

? 當(dāng)金屬材料在高于蠕變溫度的溫度下工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種現(xiàn)象： 蠕變變形與蠕變斷裂。在這里不作金屬學(xué)的探討，而從工程應(yīng)用 的觀點(diǎn)作現(xiàn)象學(xué)的分析。為了敘述簡便，下面把“高于蠕變起始 溫度”簡稱為“高溫”。

(一)蠕變變形 

? 在光滑試樣單向拉伸試驗(yàn)下，在 恒定溫度與恒定應(yīng)力作用下，試 樣的應(yīng)變—時(shí)間關(guān)系如圖所示。

? 蠕變變形有三個(gè)階段，第一階段 (01)為降速階段，第二階段(12) 為恒速階段，第三階段(23)為加 速階段，到點(diǎn)3發(fā)生斷裂。

? 在恒定溫度與不同應(yīng)力下測試時(shí)，可以得到一組曲線，如圖所示。 圖中s1>s2>s3。應(yīng)力越小則應(yīng)變?cè)叫?，相?yīng)地，應(yīng)變速率越小。

? 通常在8個(gè)以上的不同應(yīng)力水平做 試驗(yàn)，歸納出蠕變應(yīng)變與應(yīng)力、時(shí) 間的關(guān)系式： 如果溫度T 恒定，則 

? 工程上為計(jì)算方便，常忽略第一階段 與第三階段，僅取第二階段，即恒速 階段。蠕變的應(yīng)變速率可以用下式表 達(dá)：

(二)蠕變斷裂

? 在高溫和應(yīng)力的長時(shí)間作用下，金屬材料到一定時(shí)間就會(huì)斷裂，從 下面兩張圖可以看出。蠕變斷裂壽命2R(小時(shí))隨應(yīng)力的降低而延長。 通常用光滑試樣在恒定應(yīng)力和恒定溫度下作試驗(yàn)。在一定應(yīng)力下的 蠕變斷裂時(shí)間稱為該應(yīng)力下的蠕變斷裂壽命，反過來，在一定時(shí)間 下產(chǎn)生蠕變斷裂的應(yīng)力稱為該時(shí)間內(nèi)的“持久強(qiáng)度”。

? 多個(gè)試樣在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)， 得到材料的持久強(qiáng)度與蠕變斷裂壽命的 關(guān)系曲線。 

? 多個(gè)試樣在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)， 得到材料的持久強(qiáng)度與蠕變斷裂壽命的 關(guān)系曲線。 

? 多數(shù)鋼材，應(yīng)力-壽命曲線有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)F，標(biāo)志斷裂機(jī)制的轉(zhuǎn)變。

? 當(dāng)應(yīng)力高于F點(diǎn)時(shí)，斷裂是穿晶的，斷口為韌窩狀，縱斷面上可觀察 到晶粒的拉長。 

? 當(dāng)應(yīng)力低于F點(diǎn)時(shí)，斷裂機(jī)制為沿晶界面的斷裂(沿晶斷裂)，晶界上 由于孔穴或微裂紋的積聚連貫而最終導(dǎo)致沿晶的宏觀裂紋擴(kuò)展，引 向斷裂。

? 蠕變與持久試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的分散性很大，要在相當(dāng)多的試樣的基礎(chǔ)上 才能得到一條代表性的平均曲線。如果曲線的兩段均可近似地看作 直線，則s與tR的關(guān)系可用下式表述： 

? 式中，指數(shù)m為負(fù)值。顯然，對(duì)二段曲線，B與m的值是不同的。 

 ? 工程上，由于設(shè)計(jì)壽命要求較長，在 105h以上，所以s較低，此情況，是沿 晶斷裂，且總應(yīng)變量比較小，所以失 效時(shí)呈現(xiàn)“脆性斷裂”的特征，但實(shí) 際上與通常意義上的脆性斷裂是有區(qū)別的。

? 以上都是在高溫下作長時(shí)間試驗(yàn)的情況。 

? 高溫下短時(shí)拉伸試驗(yàn)，仍然可以獲得材料 在該溫度下的屈服點(diǎn)sy抗拉強(qiáng)度sb與塑性 形變曲線。但試驗(yàn)的速度相對(duì)要快一些。

? 若試驗(yàn)速度慢于高應(yīng)力下的蠕變速度，則 會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力平臺(tái)，此時(shí)應(yīng)力上不去而應(yīng)變 不斷增加。圖示是高溫下短時(shí)拉伸試驗(yàn)的 示意圖。 

? 高溫短時(shí)拉伸曲線(快速拉伸)有時(shí)對(duì)計(jì)算 應(yīng)力集中部位初始加載時(shí)的變形量有用。