学术干货|从灯丝下垂谈起，聊聊金属材料蠕变性能及其检测

就金属力学性能而言，大家平时接触最多的是常温下的单向拉伸试验，得到的是我们熟悉的应力-应变曲线。但是在能源、化工、冶金、航空航天等领域，很多零部件必须长期在高温条件下服役，如电厂超超临界火电机组运行参数可达26.25MPa，600℃。对于在此条件下服役的金属材料，如果仅以常温短时静载下的力学性能作为设计选材依据显然是不够的，因为在高温服役环境下材料的力学性能会发生显著变化。材料在工作应力小于该工作温度下材料的屈服强度的情况下，在长期服役过程中也会发生缓慢而连续的塑性变形（即蠕变现象）。

在这里跟大家聊一个暴露年龄的示例，小时候家里通常会用一种灯丝灯泡，就是图1所示的这种。这种灯泡在长时间燃点之后，往往会发现有些灯泡的灯丝有弯曲下垂现象，这其实就是灯丝长时间处于高温环境、在自重作用下的一种蠕变现象。

 图1 小时候常见的白炽灯泡

一、什么是蠕变

高温下金属力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。所谓蠕变，就是金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地发生塑性变形的现象。^[1]严格来说，蠕变可以发生在任何温度，所谓的温度“高”或“低”是一个相对概念，是相对于金属熔点而言的，故采用“约比温度（T/T_m ）”（T 为试验温度， T_m 为金属熔点，采用热力学温度表示）来表示更合理。通常，当T/T_m ＞0.3时，蠕变现象才会比较显著，如通常碳钢超过300℃、合金钢超过400℃出现蠕变效应。

说到蠕变机理，金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散等机理进行的。^[1]可以简化理解成高温环境为金属材料提供了额外的热激活能，使得位错、空位等缺陷更活跃，更容易克服障碍；在长期应力作用下缺陷的移动具有一定方向性，使得变形不断产生，发生蠕变。当缺陷累计到一定程度，在晶粒交会处或者晶界上第二相质点等薄弱位置附近形成空洞，萌生裂纹并逐渐扩展，最终导致蠕变断裂。

想要很好的认识蠕变现象，还要从典型蠕变曲线开始说起。与我们平时熟悉的材料应力-应变曲线相比，金属的蠕变还需要考虑温度和时间两个因素。

 图1-2 典型蠕变曲线

如图1-2是典型蠕变曲线，表示在恒温、恒应力条件下，应变ε随时间τ的变化规律。图中oa段是试样在承受恒定拉应力σ时所产生的瞬间应变，从a点开始随时间τ增加而产生的应变属于蠕变。蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。根据蠕变速率的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段：

I减速蠕变阶段：又称过渡蠕变阶段，这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长蠕变速率逐渐减小，到b点达最小值。这是一个加工硬化作用，由于蠕变变形使位错源开动的阻力及位错滑移的阻力逐渐增大，蠕变速率逐渐降低。

II恒速蠕变阶段：又称稳态蠕变阶段，这一阶段的特点是蠕变速率基本保持不变，一般所说的金属蠕变速率指的就是这一阶段的蠕变速率。由于应变硬化的发展，促进了动态回复，金属不断软化，当应变硬化与回复软化二者达到平衡时，蠕变速率趋于稳定。

III加速蠕变阶段：这一阶段蠕变速率随时间增大，到d点时发生蠕变断裂。空洞（可从第二阶段形成）长大、连接形成裂纹而迅速扩散，导致蠕变速度加快，直至发生蠕变断裂。

至于温度和应力对蠕变曲线的影响，大家应该能够直观判断，应力越大或温度越高时，蠕变变形速度越快，蠕变寿命越短。

二、蠕变性能参数及其检测方法

材料的蠕变性能可以用蠕变极限和持久强度极限表示，两者的定义和适用范围不同，可根据实际需要选择。

表2-1 金属蠕变性能指标

1、蠕变极限

1）定义

为保证在高温长载荷作用下的机件不致产生过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。与常温下的屈服强度类似，蠕变极限反映的是金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。^[1]蠕变极限适用于不允许发生过量蠕变变形的服役条件下的设计选材。

蠕变极限一般有两种表示方式，二者都是在规定温度（t）下和规定时间（τ）内，材料所能承受的最大应力，区别就在于一种是使稳态蠕变速率（）不超过规定值的最大应力（），另一种是使试样产生的蠕变总伸长率不超过规定值的最大应力（ ）。二者其实仅相差一个瞬时变化ε₀ ，其相差量甚小，可以忽略不计。

2）试验原理

前文有述，根据材料的工作条件，通常使用的蠕变极限有两种。一种是在规定温度（t）下引起规定的稳态蠕变速率（）的应力值，另一种是在规定温度下及规定时间（τ）内引起规定蠕变伸长（δ^′）的应力值。在给定试验温度下，欲求得某种合金的δ^′-σ关系远比测定-σ关系复杂。因为-σ在对数坐标中呈直线关系。^[2]经大量试验总结得出，在一定温度下，稳态蠕变速率与应力σ的关系为：3-1式中A₁、n为常数，A₁是与材料特性和试验温度相关的常数，n为稳态蠕变速率应力指数。等式两边取对数：3-2式中A₁和n可以由多组试验数据代入公式求得，或者通过在双对数坐标图上绘制应力-稳态蠕变速率关系曲线获得。

3）试验方案设计

具体测定时，首先选定温度，在同一温度下选择不同应力进行蠕变试验，试验进行至规定时间后停止。^[1]试验方案的设计主要是从材料的服役条件出发，确定温度、时间、应力等试验参数。

温度：根据材料实际服役条件确定，比如超超临界火电机组传热管根据应用温度设定为600℃；

时间：金属材料实际服役时间可达数十万小时，但长时间试验会导致试验成本增加，对试验设备也是很大的考验，关键是工程应用周期太长。因此，通常采用加速蠕变试验方法，使试验时间缩短至数十至数万小时。

应力：求蠕变极限的关键是选择应力。实际工作中通常采用尝试法选择应力。也有些学者提出运用一些方法更有目的地选择应力。^[3]

 4）试验过程详解

试验条件：确认试验设备条件，如试验机同轴度、审查测量装置精度、加热装置温度允许偏差等；制备合格试样，如形状和尺寸、样品制备、尺寸标记等；

试验过程：根据试验方案进行试验，注意试验中试样加热、试验力施加、温度和伸长的记录等要求；^[4]

数据处理：通过数据计算或绘制双对数关系曲线，获得应力-稳态蠕变速率关系。

例：某合金454℃稳态速率为10^-5%/h的蠕变应力^[5]

试验采用某型机械式持久试验机力值精度1级，计算机采集数据。试样根据蠕变试样图制备。

试验在5个应力水平下进行，每个应力水平重复3件。

表3-1 454℃蠕变试验数据汇总表

依据表3-1的试验数据对稳态蠕变速率与试验应力进行双对数拟合，拟合后的双对数曲线见图3-1。

图3-1 454℃下稳态蠕变速率-试验应力曲线图

454℃下稳态蠕变速率-应力对应关系为：。

因此，稳态速率为10^-5%/h下的蠕变极限为 。

2、持久强度极限

1）定义

某些服役条件下，蠕变变形很小或对变形要求不高，只要求构件在使用期间不发生断裂。在此情况下，选择能反映蠕变断裂抗力的指标作为选材设计依据。金属材料持久强度极限，是在规定温度（t）下，达到规定的持续时间（τ）而不发生断裂的最大应力，以表示。^[1]

2）检测

金属材料的持久强度极限通过高温拉伸持久试验测定。持久强度极限的测定方法与蠕变极限类似，同样在特定温度下选择不同应力进行蠕变试验，不同之处在于试验进行至试样蠕变断裂为止。一般在试验过程中，不需要测定试样的伸长量，只要测定试样在规定温度和一定应力作用下直至断裂的时间。^[1]

高温拉伸持久试验方案设计也应从服役条件出发，但对于设计寿命为数万乃至数十万小时的部件来说，要进行如此长时间的试验是比较困难的。例如普通商用核电站关键设备的设计寿命一般是40年，完成40年的高温拉伸持久试验之后才能判断材料的可用性，这个时间成本太高了。因此，和蠕变试验相似，一般作出一些应力较大、断裂时间较短（数百至数千小时）的试验数据，通过数据处理建立应力-断裂时间之间的关系，用外推法求出数万至数十万小时的持久强度极限。

例：某合金454℃下100000h的持久强度^[5]

试验采用某型机械式持久试验机力值精度1级，计算机采集数据。试样根据持久试样图制备。

试验在6个应力水平下进行，每个应力水平重复3件。

表3-2 454℃持久试验数据汇总表

依据表3-2的试验数据对断裂时间与试验应力进行双对数拟合，拟合后的双对数曲线见图3-2。

图3-2 454℃下断裂时间-试验应力曲线图

454℃下断裂时间-应力对应关系为：。

因此，断裂时间为105h的持久强度极限为。

写在最后：蠕变极限和持久强度极限都用到了数据的外推，有一点需要注意，就是外推数据的可靠性。一般用外推法求蠕变极限，其蠕变速率只能比最低试验点的数据低一个数量级，否则外推值不可靠；同样，对于持久强度试验，限制外推时间不超过最长试验时间一个数量级，以使外推结果不致误差太大。^[1]这在实际应用中是具有可操作性性的，相较于40年的设备寿命而言，用4年时间来评估材料的适用性还是可以接受的。

[1] 束德林.工程材料力学性能[M].北京:机械工业出版社,2007:182-191.

[2] 李久林.耐热合金蠕变极限预测方法的研究[J].物理测试,1985(4):20-22.

[3] 朱金元.选择短时蠕变极限的β系数法[J].物理测试,1985(4):15-16.

[4] GB/T 2039-2012,金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法[S].北京:中国标准出版社,2012.

[5]SA-336（F22V级）454℃和482℃持久蠕变试验报告[R].国家钢铁材料测试中心/国家钢铁产品质量监督检验中心.

本文由材料人编辑部新人组詹英杰供稿，材料牛编辑整理。

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