專利名稱：一種材料的高溫蠕變壽命加速試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種材料的高溫蠕變壽命加速試驗(yàn)方法，尤其是基于短時(shí)應(yīng)力松弛的蠕變壽命加速試驗(yàn)技術(shù)。

背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的高溫蠕變壽命試驗(yàn)需要持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，所獲得的壽命數(shù)據(jù)僅能實(shí)現(xiàn)3倍的外推。一方面限制了新材料的推廣應(yīng)用(需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，以提供壽命設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù))，另一方面，較長(zhǎng)時(shí)間的高溫試驗(yàn)，浪費(fèi)了大量的人力物力，同時(shí)也與當(dāng)今節(jié)能降耗的國(guó)家重要政策相悖。
目前，關(guān)于高溫材料性能松弛-蠕變轉(zhuǎn)換方法有兩種，一種是純粹的作圖法，另一種是計(jì)算與作圖相結(jié)合的方法。前者過(guò)多地受人為因素的影響，轉(zhuǎn)換精度較低，具有較大的局限性。后者則是通過(guò)一個(gè)松弛試驗(yàn)，直接導(dǎo)出人為設(shè)定的應(yīng)力-應(yīng)變速率關(guān)系。這些方法都不可避免導(dǎo)致較大誤差，主要因?yàn)樗沙趹?yīng)力-應(yīng)變速率關(guān)系強(qiáng)烈依賴于初始應(yīng)力，而且過(guò)短的松弛試驗(yàn)時(shí)間，尤其不到24小時(shí)的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，很難獲得穩(wěn)定的應(yīng)變速率結(jié)果；另一方面，為實(shí)現(xiàn)加速過(guò)度增加的松弛初應(yīng)變?cè)斐伤苄宰冃纬蔀橹骺匾蛩兀纱说玫降耐馔迫渥償?shù)據(jù)則非常牽強(qiáng)和武斷，轉(zhuǎn)換精度不可避免的低下，其科學(xué)性和可行性受到了質(zhì)疑。
因此，亟需研究更加科學(xué)的高溫壽命加速試驗(yàn)方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是，提供一種材料的高溫蠕變壽命加速試驗(yàn)方法，能夠由短時(shí)松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得大量蠕變性能數(shù)據(jù)的精確關(guān)聯(lián)及計(jì)算，從而減少費(fèi)時(shí)費(fèi)力的高溫試驗(yàn)量。
本發(fā)明提供的方法，包括以下步驟 A、獲取材料松弛應(yīng)力數(shù)據(jù)； B、利用數(shù)值微分技術(shù)對(duì)松弛應(yīng)力進(jìn)行微分處理，構(gòu)建松弛速率-應(yīng)力曲線； C、構(gòu)建松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線； D、構(gòu)建蠕變曲線； E、建立Norton蠕變方程。
根據(jù)本發(fā)明，材料的松弛應(yīng)力數(shù)據(jù)通過(guò)短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)獲取，或者直接引用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)(如果有)；短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)獲取松弛應(yīng)力數(shù)據(jù)的具體步驟如下 使用松弛試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行同溫下高溫部件材料的不同初應(yīng)力而相同的終端應(yīng)力的短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間由統(tǒng)一的設(shè)計(jì)終端應(yīng)力確定，以此獲得松弛數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包括4組以上的松弛試驗(yàn)的時(shí)間-應(yīng)力數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明，所述構(gòu)建松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線的步驟如下 a、對(duì)松弛方程微分得到以下松弛蠕變速率方程
其中松弛方程為εe+ε＝ε0＝const，ε0是總應(yīng)變，εe是彈性應(yīng)變，ε為蠕變應(yīng)變，

為應(yīng)力松弛速率，

為松弛蠕變速率，E是彈性模量，通過(guò)松弛試驗(yàn)加載過(guò)程，由σ0/ε0求出，σ0為初應(yīng)力； b、根據(jù)以上松弛蠕變速率方程計(jì)算松弛蠕變速率，構(gòu)建松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線。
根據(jù)本發(fā)明，所述構(gòu)建蠕變曲線的步驟如下 a、任取一應(yīng)力，根據(jù)以下方程計(jì)算出蠕變應(yīng)變 b、橫截所述的松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線，交點(diǎn)即為松弛蠕變速率

由下式計(jì)算蠕變時(shí)間
c、每取一應(yīng)力σ即得到一組相應(yīng)的ε和t，由多個(gè)應(yīng)力σ得到多組ε和t，從而繪制一簇時(shí)間-蠕變應(yīng)變曲線。
根據(jù)本發(fā)明，所述建立Norton蠕變方程的步驟如下 擬合各自應(yīng)力σ下的蠕變速率

得到應(yīng)力-蠕變速率曲線，據(jù)此曲線按照Norton蠕變方程進(jìn)行擬合，從而得到其材料常數(shù)K和n，建立以下統(tǒng)一的Norton蠕變方程
以此方程實(shí)現(xiàn)蠕變數(shù)據(jù)的無(wú)級(jí)擴(kuò)展。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供的方法還可以包括利用以上方法得到的蠕變數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)高溫材料的蠕變行為的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供的方法還可以包括運(yùn)用Monkman-Grant關(guān)系式進(jìn)行蠕變斷裂壽命的預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)的步驟，所述Monkman-Grant關(guān)系式為
使用本發(fā)明提供的方法，由于從松弛與蠕變的物理關(guān)系出發(fā)，通過(guò)多組短時(shí)松弛試驗(yàn)，綜合利用數(shù)值計(jì)算方法、截切法和程序計(jì)算對(duì)松弛數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)化，建立由短時(shí)松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得大量蠕變性能數(shù)據(jù)的精確關(guān)聯(lián)及計(jì)算方法，方法更科學(xué)，轉(zhuǎn)換結(jié)果更接近于實(shí)際，轉(zhuǎn)換精度和可靠性較高；而且本發(fā)明的方法揭示了短時(shí)松弛過(guò)程涵蓋了非常寬的蠕變應(yīng)變速率范圍(10-1～10-7/h)的特性，利用較短的以終點(diǎn)應(yīng)力確定的試驗(yàn)時(shí)間，得以得到比通常的蠕變?cè)囼?yàn)寬十幾倍的蠕變數(shù)據(jù)，從而減少費(fèi)時(shí)費(fèi)力的高溫試驗(yàn)量，大大加速高溫材料的蠕變?cè)O(shè)計(jì)；同時(shí)本發(fā)明的方法根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的蠕變數(shù)據(jù)建立了應(yīng)力-蠕變速率曲線和統(tǒng)一的蠕變方程，即把松散的蠕變數(shù)據(jù)從理論上歸結(jié)為統(tǒng)一的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了蠕變數(shù)據(jù)的無(wú)級(jí)擴(kuò)展，極大地方便了蠕變?cè)O(shè)計(jì)。



圖1為本發(fā)明的材料的高溫蠕變壽命加速試驗(yàn)方法中的時(shí)間-應(yīng)力曲線。
圖2是本發(fā)明的材料的高溫蠕變壽命加速試驗(yàn)方法中的運(yùn)用數(shù)值微分方法對(duì)應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)處理得到的松弛速率-應(yīng)力曲線圖。
圖3是本發(fā)明的材料的高溫蠕變壽命加速試驗(yàn)方法中的運(yùn)用計(jì)算法得到的松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線圖。
圖4是本發(fā)明的材料的高溫蠕變壽命加速試驗(yàn)方法中的運(yùn)用截切法和計(jì)算法構(gòu)建的蠕變曲線圖及與實(shí)際蠕變曲線的比較。
圖5是本發(fā)明的材料的高溫蠕變壽命加速試驗(yàn)方法中的同蠕變應(yīng)變時(shí)的松弛時(shí)間-蠕變時(shí)間關(guān)系圖。

具體實(shí)施例方式 國(guó)產(chǎn)1Cr10NiMoW2VNbN合金，用于600℃以下汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、葉片和螺栓。為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特以此材料為例作進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)理解，以下實(shí)施例僅用于說(shuō)明的目的，而非用于限定本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明所述的材料的高溫蠕變壽命加速試驗(yàn)方法具體的實(shí)現(xiàn)方式如下 1、采用4組以上圓棒拉伸試樣，利用松弛試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行設(shè)定終端應(yīng)力的短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)，獲得材料的松弛應(yīng)力數(shù)據(jù)；如可查閱到有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)，則也可以直接引用。
2、運(yùn)用數(shù)值微分技術(shù)對(duì)前述的應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立松弛速率-應(yīng)力曲線圖。
3、對(duì)松弛方程微分得
按上式將松弛速率轉(zhuǎn)變?yōu)樗沙谌渥兯俾?

建立松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線圖。
4、任取一應(yīng)力σ，利用以下方程計(jì)算出蠕變應(yīng)變 橫截松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線，交點(diǎn)即為據(jù)松弛蠕變速率

據(jù)下式計(jì)算蠕變時(shí)間
每取一應(yīng)力σ，即得到一組相應(yīng)的ε和t，取多個(gè)應(yīng)力σ即得到一簇時(shí)間-蠕變應(yīng)變即蠕變曲線。
5、擬合各自應(yīng)力σ下的蠕變速率

最終得到應(yīng)力-蠕變速率曲線。據(jù)此曲線按照Norton蠕變方程進(jìn)行擬合，從而得到其材料常數(shù)K和n，建立統(tǒng)一的Norton蠕變方程
從而，可以使用以上方法得到的蠕變數(shù)據(jù)，特別是穩(wěn)定蠕變速率，來(lái)預(yù)測(cè)高溫材料的蠕變行為，并運(yùn)用Monkman-Grant關(guān)系式
進(jìn)行蠕變斷裂壽命的預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)。
實(shí)施例1、高溫蠕變壽命加速試驗(yàn) 1.1、短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn) 試驗(yàn)為600℃下單向拉伸應(yīng)力松弛試驗(yàn)，試件為鍛造棒材，采用測(cè)試長(zhǎng)度100mm、直徑10mm的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和尺寸，試驗(yàn)時(shí)間根據(jù)設(shè)計(jì)終端應(yīng)力160MPa通過(guò)具體設(shè)置，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后自然確定。試驗(yàn)參數(shù)見下表1。
表1、Cr10NiMoW2VNbN合金應(yīng)力松弛試驗(yàn)參數(shù) 根據(jù)表1的結(jié)果獲得時(shí)間-應(yīng)力曲線，結(jié)果如圖1所示。
1.2、構(gòu)建松弛速率-應(yīng)力曲線 對(duì)圖1所示的松弛曲線作數(shù)值微分，得到圖2所示的松弛速率-應(yīng)力曲線。
1.3、構(gòu)建松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線 采用以下公式
對(duì)圖2中的應(yīng)力速率進(jìn)行計(jì)算得松弛蠕變速率

建立松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線，結(jié)果如圖3所示。
1.4、建立蠕變曲線 任取一應(yīng)力，根據(jù)以下方程計(jì)算出蠕變應(yīng)變 式中ε0是總應(yīng)變，εe是彈性應(yīng)變，ε為蠕變應(yīng)變；E為600℃下材料1Cr10NiMoW2VNbN的彈性模量，通過(guò)松弛試驗(yàn)加載過(guò)程，由σ0/ε0求出，σ0為初應(yīng)力； 橫截松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線，交點(diǎn)即為據(jù)松弛蠕變速率

據(jù)下式計(jì)算蠕變時(shí)間
每取一應(yīng)力σ，即得到一組ε和t。
本實(shí)施例取165、180、195、210MPa共四個(gè)應(yīng)力，相應(yīng)得到四組ε、t數(shù)據(jù)，繪制得到蠕變應(yīng)力-時(shí)間曲線，即蠕變曲線，結(jié)果如圖4的蠕變曲線部分所示。
1.5、建立Norton蠕變方程 擬合各自應(yīng)力σ下的蠕變速率

最終得到應(yīng)力-蠕變速率曲線。據(jù)此曲線按照Norton蠕變方程進(jìn)行擬合，從而得到其材料常數(shù)K，n分別為6.34×10-33、11.238，建立統(tǒng)一的Norton蠕變方程
根據(jù)此方程可進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)力σ下的蠕變速率

的計(jì)算，從而進(jìn)行蠕變行為和壽命設(shè)計(jì)。
實(shí)施例2、蠕變實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 為驗(yàn)證以上方法的可靠性，將實(shí)際蠕變數(shù)據(jù)與短時(shí)松弛試驗(yàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果同繪于圖4中，以作一比較。蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)Yao H T， Shen S F，Xuan F Z，et al.ExperimentalInvestigations on Mechanical Properties of a High Cr Ferritic Steel for USC Steam turbineRotor[A]，Challenges of Power Engineering and Environment[C].Proceedings of theinternational conference on power engineering 2007.October 23-27，2007，Hangzhou China，p1066-1070。
從圖4可以看到，轉(zhuǎn)換結(jié)果較好地吻合于實(shí)際的蠕變數(shù)據(jù)；加之，轉(zhuǎn)換得到的材料常數(shù)K＝6.34×10-33、n＝11.238與根據(jù)蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)得到的相應(yīng)的材料常數(shù)6.67×10-33、11.18是非常接近的，故該加速蠕變?cè)囼?yàn)方法是可靠的，可以用于進(jìn)行蠕變?cè)O(shè)計(jì)。
將松弛過(guò)程中松弛到非彈性應(yīng)變?chǔ)潘璧臅r(shí)間T與轉(zhuǎn)換蠕變過(guò)程中到同樣的蠕變應(yīng)變?chǔ)潘璧臅r(shí)間t繪成圖5。
從圖5可看到，隨著松弛時(shí)間的增長(zhǎng)，其蠕變時(shí)間從數(shù)倍到十幾倍得到了放大，而且松弛初應(yīng)力越大，則放大倍數(shù)越大，結(jié)合表1和圖5可知，用約300小時(shí)的松弛試驗(yàn)可獲取約4700小時(shí)的蠕變數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)了加速，從而減少費(fèi)時(shí)費(fèi)力的高溫試驗(yàn)量。
雖然，在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，使用了6組數(shù)據(jù)，但對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，使用更多組數(shù)據(jù)，獲得的結(jié)果將更好，這是顯而易見的，因此，也是本發(fā)明所要求保護(hù)的。
采用了上述的材料的高溫蠕變壽命加速試驗(yàn)方法，由于其從松弛與蠕變的物理關(guān)系出發(fā)，通過(guò)多組短時(shí)松弛試驗(yàn)，綜合利用數(shù)值計(jì)算方法、截切法和程序計(jì)算對(duì)松弛數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)化，建立由短時(shí)松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得大量蠕變性能數(shù)據(jù)的精確關(guān)聯(lián)及計(jì)算方法，方法更科學(xué)，轉(zhuǎn)換結(jié)果更接近于實(shí)際，轉(zhuǎn)換精度和可靠性較高；而且本發(fā)明的方法揭示了短時(shí)松弛過(guò)程涵蓋了非常寬的蠕變應(yīng)變速率范圍(10-1～10-7/h)的特性，利用較短的以終點(diǎn)應(yīng)力確定的試驗(yàn)時(shí)間，得以得到比通常的蠕變?cè)囼?yàn)寬十幾倍的蠕變數(shù)據(jù)，從而減少費(fèi)時(shí)費(fèi)力的高溫試驗(yàn)量，大大加速高溫材料的蠕變?cè)O(shè)計(jì)；同時(shí)本發(fā)明的方法根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的蠕變數(shù)據(jù)建立了應(yīng)力-蠕變速率曲線和統(tǒng)一的蠕變方程，即把松散的蠕變數(shù)據(jù)從理論上歸結(jié)為統(tǒng)一的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了蠕變數(shù)據(jù)的無(wú)級(jí)擴(kuò)展，極大地方便了蠕變?cè)O(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
1、一種材料的高溫蠕變壽命加速試驗(yàn)方法，其特征在于，所述的方法包括以下步驟
A、獲取材料松弛應(yīng)力數(shù)據(jù)；
B、利用數(shù)值微分技術(shù)對(duì)松弛應(yīng)力進(jìn)行微分處理，構(gòu)建松弛速率-應(yīng)力曲線；
C、構(gòu)建松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線；
D、構(gòu)建蠕變曲線；
E、建立Norton蠕變方程。
2、如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述松弛應(yīng)力數(shù)據(jù)引用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)。
3、如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述松弛應(yīng)力數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)高溫部件材料進(jìn)行4組以上短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)獲取。
4、如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)包括以下步驟
進(jìn)行同溫下高溫部件材料的短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間由同一設(shè)計(jì)終端應(yīng)力確定，獲得4組以上的松弛兩階段的時(shí)間-應(yīng)力數(shù)據(jù)。
5、如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述構(gòu)建松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線包括以下步驟
a、對(duì)松弛方程微分得到以下松弛蠕變速率方程
式中
為應(yīng)力松弛速率，
為松弛蠕變速率，E是彈性模量；
b、根據(jù)松弛蠕變速率方程計(jì)算松弛蠕變速率，構(gòu)建松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線。
6、如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述的構(gòu)建蠕變曲線包括以下步驟
a、任取一應(yīng)力，根據(jù)以下方程計(jì)算蠕變應(yīng)變
b、橫截所述的松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線，交點(diǎn)即為松弛蠕變速率
據(jù)下式計(jì)算蠕變時(shí)間
c、每取一應(yīng)力σ即得到一組相應(yīng)的ε和t，由多個(gè)應(yīng)力σ得到多組ε和t，從而繪制蠕變應(yīng)力-蠕變時(shí)間曲線。
7、如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的建立Norton蠕變方程步驟為
擬合各自應(yīng)力σ下的蠕變速率
，得到應(yīng)力-蠕變速率曲線，然后據(jù)此曲線按照Norton蠕變方程進(jìn)行擬合，從而得到其材料常數(shù)K和n，從而獲得Norton蠕變方程
8、如權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括利用以上方法得到的蠕變數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)高溫材料的蠕變行為的步驟。
9、如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述蠕變數(shù)據(jù)為穩(wěn)定蠕變速率。
10、如權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括運(yùn)用Monkman-Grant關(guān)系式進(jìn)行蠕變斷裂壽命的預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)的步驟，所述Monkman-Grant關(guān)系式為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種材料的高溫蠕變壽命加速試驗(yàn)方法，包括進(jìn)行同一溫度下材料的多組短時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)、基于數(shù)值微分原理的松弛速率-應(yīng)力曲線獲取、利用松弛方程形成松弛蠕變速率-應(yīng)力曲線、計(jì)算蠕變數(shù)據(jù)構(gòu)建蠕變曲線、建立穩(wěn)態(tài)蠕變速率曲線和Norton蠕變方程。本發(fā)明從松弛與蠕變的物理關(guān)系出發(fā)，利用短時(shí)松弛過(guò)程涵蓋了非常寬的蠕變應(yīng)變速率的性質(zhì)，導(dǎo)出比通常的蠕變?cè)囼?yàn)寬十幾倍的蠕變數(shù)據(jù)，有效降低了高溫蠕變?cè)囼?yàn)量和試驗(yàn)時(shí)間，可為新材料開發(fā)和工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G01N33/00GK101308127SQ20081004033
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者軒福貞, 郭進(jìn)全, 王正東, 涂善東 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)