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一重技術(shù) 熱加工 SUS310S 的高溫持久性能實驗研究 楊照明 1 摘要：以 SUS310S 為研究對象，在高溫持久試驗機上測定了 SUS310S 鋼在 800~1 100 ℃時的高溫持久強度，采用時 間-溫度參數(shù)法求出不同溫度下的持久強度，以及通過高溫短時實驗來推測低溫長時間下的持久強度。最后用最小二 乘法處理后得出曲線，再用外推法求出持久強度極限。 關(guān)鍵詞：奧氏體耐熱不銹鋼；SUS310S；高溫持久強度 中圖分類號：TG113.2 文獻標識碼：B 文章編號：1673-3355 （2009） 03-0016-04 對某些高溫零件，如鍋爐中的過熱器管，不 僅需要良好的抗氧化性能，有時還要承載一定的 應(yīng)力，這就需要有良好的高溫持久性能，在設(shè)計 時主要以持久強度為依據(jù)。為了獲得材料的持久 強度，必須進行長時期的實驗。而應(yīng)用外推方法 可以大大縮短實驗時間，關(guān)于外推法的研究主要 從兩個方面進行：一是從總結(jié)出的金屬材料實驗 數(shù)據(jù)，找出經(jīng)驗關(guān)系式，用以外推長期的結(jié)果； 二是從研究持久強度和高溫持久強度的微觀過程 出發(fā)，建立應(yīng)力、溫度和斷裂時間的關(guān)系式，用 以指導外推。目前應(yīng)用較為廣泛的方法有：時間溫度參數(shù)法和等溫線外推法。 1 實驗過程與設(shè)備 圖 1 高溫持久試驗機 本實驗是在北京航空材料研究院高溫蠕變和 持久試驗室完成的，試驗設(shè)備為拉伸蠕變持久試 驗機，試驗機所加的載荷為靜載荷，利用杠桿原 理加載 （見圖 1、圖 2）。 將一個試樣在某一溫度下加上某一適當?shù)膽?yīng) 力 （靜載荷） 直到試樣斷裂為止，記錄下斷裂的 時間，到此算得到一個數(shù)據(jù)點，一個數(shù)據(jù)點需要 一個試樣。在五個以上的適當?shù)膽?yīng)力水平進行等 溫持久試驗，至少有三個應(yīng)力水平每組做出三個 數(shù)據(jù)，用最小二乘法處理后得出曲線。再用內(nèi)插 法或外推法求出持久強度極限。最后得出溫度與 圖 2 高溫持久試驗機控制臺 持久強度的關(guān)系曲線 （至少要取 3 個溫度）。 根據(jù)參考文獻的資料選取適當?shù)膽?yīng)力水平，以 保證數(shù)據(jù)的均勻性，以免數(shù)據(jù)過于集中。 1. 一重集團大連設(shè)計研究院助理工程師，遼寧 大連 116600 42 CFHI 2009 年 第 3 期（總 129 期） yz.js@cfhi.com 熱加工 CFHI TECHNOLOGY 2 等溫線法外推的計算方法 在給定的溫度下，使材料經(jīng)過規(guī)定的時間發(fā)生 斷裂的應(yīng)力叫持久強度。有些零件如過鍋爐過熱器 管，對蠕變速度的限制不嚴，但必須保證在使用期 限內(nèi)不致破壞。這些零件的主要設(shè)備依據(jù)便是持久 強度 [1]。 在鍋爐，氣輪機和燃氣機制造中，機組的設(shè)計 壽命一般為數(shù)萬以至十萬小時，這就要根據(jù)相應(yīng)時 間的持久強度來進行設(shè)計。而材料的持久強度試驗 當然不可能都進行那么長時間。實際上都是由一些 時間較短的試驗點，根據(jù)經(jīng)驗公式，用外推方法求 得長時間的持久強度。具體做法上有參數(shù)法，對數(shù) 法等，分別以提高試驗溫度和加大試驗應(yīng)力來縮短 試驗時間。 下面僅以對數(shù)法外推做一些簡要敘述。應(yīng)用較 多的對數(shù)法經(jīng)驗公式有兩種： τ＝Aσ-B !!!!!!!!!!!!!! (1) τ＝Ce-Dσ !!!!!!!!!!!!!! (2) 式中，A，B，C，D 是與試驗溫度，材料有關(guān)的常 數(shù)。 將 (1) 和 (2) 兩式兩端分別取對數(shù)，則有 lgτ=lgA-Blgσ !!!!!!!!!!! (3) lgτ=lgC-Dσlge !!!!!!!!!!! (4) 從式 (3) 出發(fā)，可以從較短時間的試驗數(shù)據(jù)外 推出長時間的持久強度值 [2]。通常用 8～10 根試 樣，求出不同應(yīng)力下的斷裂時間，即可進行外推。 一般認為外推到一個數(shù)量級 （即外推到最長試驗時 間的十倍） 得到的外推值是較可靠的 [3]。 在式 (3) 中，令 y= lgσ，x=lgτ，a= lgA B ，b=- 1 B 將方程 (3) 化為標準直線方程 y=a+bx，用最小 二乘法處理得： a= 1 △ n n Σyi Σxi 1 1 n n Σ Σ2 xi yi xi 1 1 b= 1 △ n n Σxi 1 n Σyi 1 n Σxi yi 1 !!!!!!!! (5) n 式中，△= n Σxi 1 n Σxi 1 n Σ2 xi 1 3 時間-溫度參數(shù)法的計算方法 這種方法是五十年代發(fā)展起來的一種外推持久 強度的方法，它指出溫度和時間的相互關(guān)系，可找 到某一參數(shù) P 的數(shù)學表達式來表示。它是這一過程 聯(lián)系溫度和時間的函數(shù)，參數(shù) P 本身又是應(yīng)力的函 數(shù)，即只要金屬材料所承受的應(yīng)力 σ 不變，對于 溫度 T 的時間 τ 的各種組合，參數(shù) P 始終保持不 變。即 P=P (σ) ＝常數(shù)。參數(shù)式可以寫成如下的一 般形式： P=P (σ) ＝f (T,τ) !!!!!!!!! (6) 具體的參數(shù)關(guān)系式很多，L-M 參數(shù)法是一種 應(yīng) 用 最 廣 泛 的 外 推 法 ， 它 是 1952 年 由 Larson Miller 提出的，基本思想認為溫度 T (K) 與斷裂時 間有補償關(guān)系，即對一定的斷裂應(yīng)力，溫度與時間 是等效的，一也就是說，對于一定斷裂應(yīng)力，只對 應(yīng)一個 P。這個關(guān)系可以用 L-M 參數(shù) PL-M 來表示。 利用加速實驗條件下的蠕變斷裂數(shù)據(jù)進行應(yīng)力外 推，獲得使用條件下的 PL-M，然后計算出斷裂時 間?；娟P(guān)系式是： lgσ=f ΣPL-M Σ=f Σ10-3 T ΣC+lgτ ΣΣ !!!! (7) 式中，σ―施加的應(yīng)力；PL-M―L-M 參數(shù)；T―絕對 溫 度 ； τ―蠕 變 斷 裂 時 間 ； f―函 數(shù) 關(guān) 系 ； C―L-M 常數(shù)，不同的材料有不同的數(shù)值， 對于許多鋼種均可取 C=20，這樣產(chǎn)生的誤 差在±10%以內(nèi)。 根據(jù)實驗測得的斷裂時間和實驗溫度可算出實 驗應(yīng)力、溫度條件下的 PL-M，然后畫出 lgσ-PL-M 曲線， 即可用圖示形式表示 σ、T、τ 三者關(guān)系圖，當知 道了使用條件下的應(yīng)力后，就可以確定 PL-M，根據(jù) 上式算出使用條件下的 τ，這個方法對新材料或用 過的材料都是適用的。 對于使用過的材料，由于其斷裂強度低于原始 材料，實驗點必落在原始材料點的左下方，把不同 應(yīng)力的實驗點連成線，使其走向與原始材料的主曲 線等距，就構(gòu)成了用過材料的 lgσ-PL-M 曲線圖，根 據(jù)這個圖就可以確定用過材料的剩余壽命。 這種外推法主要優(yōu)點是使用方便，適用范圍 2009 年 第 3 期（總 129 期） yz.js@cfhi.com 43 CFHI 一重技術(shù) 熱加工 廣，比較準確。不足之處在于必須對構(gòu)件進行破 壞性實驗，耗時費力；當構(gòu)件出現(xiàn)明顯的空洞及 微裂紋之后，很難測得準確的實驗數(shù)據(jù)；受化學 成分、顯微組織及運行中工況條件不均勻性的影 響，實驗數(shù)據(jù)分散度較大對一種新材料需要做大 量實驗確定 C 值，且 C 值與應(yīng)力有關(guān)。 4 實驗結(jié)果與分析 SUS310S 不銹鋼在 800~1 100 ℃時，隨著應(yīng)力 的增加，持久斷裂時間逐漸減小，應(yīng)力與斷裂時 間成反比例 （見表 1、圖 3 和圖 4）。 表 1 800 ℃PL-M和 lgσ 數(shù)據(jù)表 試樣 PL-M PL-M2 lgσ PL-M× lgσ 1 22.268 6 495.890 3 2.079 2 46.300 9 2 22.836 3 521.494 5 2.000 0 45.672 6 3 23.030 4 530.401 0 1.954 2 45.006 0 4 23.233 9 539.814 0 1.929 4 44.827 5 5 23.375 0 546.392 8 1.903 1 44.484 9 6 23.721 0 562.687 6 1.845 1 43.767 6 7 23.984 1 575.235 0 1.778 2 42.648 5 8 24.240 2 587.587 9 1.740 4 42.187 6 9 24.484 4 599.485 8 1.681 2 41.163 2 Σ 211.173 9 4958.988 9 16.910 8 396.058 8 圖 3 SUS310S 不銹鋼 800~1 100 ℃的高溫持久強度曲線 應(yīng)用公式 (1) 到 (5)，可以算出經(jīng)驗公式。具 體如下： 800 ℃時，a＝2.276 0，b＝－0.188 1，公式為： y800=2.2760-0.1881x !!!!!!!! (8) 900 ℃時，a＝2.004 1，b＝－0.257 9，公式為： y900=2.004 1-0.257 9x !!!!!!!! (9) 1 000 ℃時，a＝1.661 0，b＝－0.2560，公式為： y1000=1.661 0-0.2560x !!!!!! (10) 1 100 ℃時，a＝1.283 4，b＝－0.144 3，公式為： 圖 4 SUS310S 不銹鋼 800~1 100 ℃ 在雙對數(shù)坐標下的高溫持久強度曲線 y1 100=1.283 4－0.144 3x !!!!!! (11) 由上式進行持久強度的外推計算，理論上算出 該試樣持久斷裂時間為 10 000 h 所需的最大應(yīng)力 值，來判斷材料的持久壽命，為實際生產(chǎn)應(yīng)用做理 論指導。 當 τ ＝10 000 時 ， x ＝lgτ ＝4， 代 入 上 式 得 y800＝ 2.2760－0.188 1×4＝1.523 6，σ800＝33.388 7 MPa。 重 復(fù) 相 應(yīng) 的 外 推 計 算 過 程 ， 可 以 得 出 σ900＝ 9.386 4 MPa，σ1000＝4.335 1 MPa，σ1100＝4.426 9 MPa。 應(yīng)用公式 (7) 計算 800 ℃所得數(shù)據(jù)見表 2。 表 2 SUS310S 不銹鋼高溫持久實驗原始數(shù)據(jù) 溫度/℃ 應(yīng)力/MPa 時間/h 溫度/℃ 應(yīng)力/MPa 時間/h 800 120 5.67 900 30 129.17 800 100 19.17 900 27 182.92 800 90 29.08 900 24 245.17 800 85 45.00 900 20 423.10 800 80 60.92 900 15 1 059.10 800 70 128.00 1 000 35 2.75 800 60 225.08 1 000 28 7.33 800 55 390.00 1 000 22 17.25 800 48 658.67 1 000 18 39.00 900 85 2.33 1 000 12 173.42 900 80 3.83 1 000 10 400.33 900 65 5.50 1 100 12 27.50 900 50 13.25 1 100 10 84.00 900 40 46.50 1 100 8 448.83 900 35 85.83 1 100 6 1 333.00 應(yīng)用最小二乘法對以上數(shù)據(jù)進行回歸得 lgσ= 6.117 4-0.180 6 PL-M， 把 τ ＝10 000 代 入 上 式 。 得 σ 10000 800 ＝29.275 2 MPa。 同 理 可 得 σ 10000 900 ＝8.779 4 MPa，σ100010000＝4.261 2 MPa，σ110010000＝3.752 6 MPa。 44 CFHI 2009 年 第 3 期（總 129 期） yz.js@cfhi.com 熱加工 CFHI TECHNOLOGY 5 外推計算 系，都是近似的。在常用的對數(shù)坐標下，實驗點并 不是真正的符合線性關(guān)系的，實際上是一條具有二 利用持久經(jīng)驗公式外推 SUS310S 合金在 10 000 次轉(zhuǎn)折的曲線，只是曲線的某些區(qū)域接近于直線。 h 斷裂的最大應(yīng)力分別為 σ800＝33.388 7 MPa，σ900＝ 出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的原因與金屬斷裂的性質(zhì)的變化有關(guān)，即 9.386 4 MPa，σ1000＝4.335 1 MPa，σ1100＝4.426 9 MPa 轉(zhuǎn)折以前是晶內(nèi)斷裂，轉(zhuǎn)折以后是晶界斷裂。但這 （見圖 5）。 種觀點并沒有得到證實。 也就是說由短時間直線外推長時間的持久強 度，往往會造成一些偏差，要準確的估計金屬材料 的持久強度值，尚需要對外推方法進一步的研究。 筆者認為在進行持久強度實驗時，應(yīng)該注意一 下幾點： (1) 實驗點的選取應(yīng)該充分反應(yīng)曲線的全貌， 試驗點的分布要盡量均勻。 (2) 實驗點大多集中在數(shù)千小時時不利于外 推。 (3) 對某些零件實驗時間要適當長些，盡可能 圖 5 用最小二乘法外推后的雙對數(shù)坐標下的持久強度曲線 的做到曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折以后。 參考文獻 6 結(jié)語 [1] 何晉瑞．金屬高溫疲勞．北京：科學出版社,1998. [2] 平修二 （日）：金屬材料的高溫強度．北京：科學出版社，1983. 一般認為外推到一個數(shù)量級 （即外推到最長實 驗時間的十倍） 得到的數(shù)據(jù)是比較可靠的 。 [4~6] 必須著重的指出，上面所講的持久強度直線外 [3] 楊宜科．金屬高溫強度及試驗