金属材料的高温蠕变

大量的化工容器是在高于室温的条件下工作的。金属材料的强度随温度而发生变化。

对高温压力容器要区别两种不同的情况。

第一种是工作温度在容器材料的蠕变温度以下，设计时是以该材料在工作温度下的机械强度为基准，按通常的安全系数选取许用应力。

第二种是工作温度在容器材料的蠕变温度以上，此时必须考虑材料的蠕变特性，按照容器的设计寿命来确定许用的应力水平。

本节要讨论的是第二种情况。

 蠕变温度指材料开始呈现蠕变现象的温度，对各种不同材料是 不同的。一般金属材料的蠕变温度Tc为： 

式中，Tm为金属材料的熔点(K)。实际上，每种具体钢号或金属牌号都 有不同的蠕变温度。大体上：碳钢 > 350oC 低合金钢 > 400~450oC 耐热合金钢 > 600oC  

 有色金属及其合金的蠕变温度较低，如铅及钛等在室温时受载就 会发生蠕变。

 当金属材料在高于蠕变温度的温度下工作时，会产生两种现象： 蠕变变形与蠕变断裂。在这里不作金属学的探讨，而从工程应用 的观点作现象学的分析。为了叙述简便，下面把“高于蠕变起始 温度”简称为“高温”。

(一)蠕变变形 

 在光滑试样单向拉伸试验下，在 恒定温度与恒定应力作用下，试 样的应变—时间关系如图所示。

 蠕变变形有三个阶段，第一阶段 (01)为降速阶段，第二阶段(12) 为恒速阶段，第三阶段(23)为加 速阶段，到点3发生断裂。

 在恒定温度与不同应力下测试时，可以得到一组曲线，如图所示。 图中s1>s2>s3。应力越小则应变越小，相应地，应变速率越小。

 通常在8个以上的不同应力水平做 试验，归纳出蠕变应变与应力、时 间的关系式： 如果温度T 恒定，则 

 工程上为计算方便，常忽略第一阶段 与第三阶段，仅取第二阶段，即恒速 阶段。蠕变的应变速率可以用下式表 达：

(二)蠕变断裂

 在高温和应力的长时间作用下，金属材料到一定时间就会断裂，从 下面两张图可以看出。蠕变断裂寿命2R(小时)随应力的降低而延长。 通常用光滑试样在恒定应力和恒定温度下作试验。在一定应力下的 蠕变断裂时间称为该应力下的蠕变断裂寿命，反过来，在一定时间 下产生蠕变断裂的应力称为该时间内的“持久强度”。

 多个试样在不同应力水平下进行试验， 得到材料的持久强度与蠕变断裂寿命的 关系曲线。 

 多个试样在不同应力水平下进行试验， 得到材料的持久强度与蠕变断裂寿命的 关系曲线。 

 多数钢材，应力-寿命曲线有一个转折点F，标志断裂机制的转变。

 当应力高于F点时，断裂是穿晶的，断口为韧窝状，纵断面上可观察 到晶粒的拉长。 

 当应力低于F点时，断裂机制为沿晶界面的断裂(沿晶断裂)，晶界上 由于孔穴或微裂纹的积聚连贯而最终导致沿晶的宏观裂纹扩展，引 向断裂。

 蠕变与持久试验中数据的分散性很大，要在相当多的试样的基础上 才能得到一条代表性的平均曲线。如果曲线的两段均可近似地看作 直线，则s与tR的关系可用下式表述： 

 式中，指数m为负值。显然，对二段曲线，B与m的值是不同的。 

  工程上，由于设计寿命要求较长，在 105h以上，所以s较低，此情况，是沿 晶断裂，且总应变量比较小，所以失 效时呈现“脆性断裂”的特征，但实 际上与通常意义上的脆性断裂是有区别的。

 以上都是在高温下作长时间试验的情况。 

 高温下短时拉伸试验，仍然可以获得材料 在该温度下的屈服点sy抗拉强度sb与塑性 形变曲线。但试验的速度相对要快一些。

 若试验速度慢于高应力下的蠕变速度，则 会出现应力平台，此时应力上不去而应变 不断增加。图示是高温下短时拉伸试验的 示意图。 

 高温短时拉伸曲线(快速拉伸)有时对计算 应力集中部位初始加载时的变形量有用。