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。

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产品介绍：

西安中试测控科技有限责任公司（以下简称“中试测控”）作为国内高端材料试验设备领域的企业，其高温蠕变试验机以高精度、全自动化、多场景适配为核心竞争力，广泛应用于航空航天、核电能源、超合金研发等关键领域。

技术架构与核心创新  

1. 超高温稳定控制体系  

   - 温度范围与均匀性：最高工作温度达1600℃，采用多区独立控温技术，炉膛内温度波动≤±1℃（国标要求为±2℃），满足镍基单晶高温合金、陶瓷基复合材料等超高温测试需求。  

   - 动态气氛调控：支持惰性气体（Ar、N?）、真空（5×10??Pa）及腐蚀性环境（如H?S）下的蠕变试验，适配核电材料应力腐蚀模拟场景。  

2. 智能加载与数据采集系统  

   - 多轴载荷精准施加：最大载荷50kN，分辨率0.01N，支持拉伸、压缩、弯曲复合加载模式，误差率＜0.5%（行业平均为1.2%）。  

   - AI辅助变形监测：集成激光散斑与数字图像相关（DIC）技术，实时捕捉微米级应变，数据采样频率达1000Hz，较传统引伸计效率提升3倍。  

3. 全生命周期管理平台  

   - 基于工业互联网的“CreepCloud”云平台，实现试验参数远程设定、设备健康度预测（如加热元件剩余寿命评估）及全球实验室数据共享，2024年已接入国家材料科学数据中心。  

 市场竞争力与差异化优势  

1. 技术壁垒构建  

   - 拥有多项发明专利，其中双闭环自适应控温算法突破国外技术，实现1600℃下连续3000小时无故障运行。  

   - 与西安交通大学材料学院共建“极端环境材料测试联合实验室”，推动ASTM E139、GB/T 2039等标准迭代。  

2. 成本与效率优势  

   - 采用模块化设计，维护时间减少40%（传统设备需停机2天/次，中试机型仅需8小时）；  

   - 单台设备日均能耗成本28元（同类进口设备约50元），2024年入选《国家绿色技术推广目录》。  

3. 服务生态布局  

   - “4小时响应圈”：在西安、成都、沈阳设立三大区域服务中心，提供现场校准、工况模拟定制服务；  

   - 培训认证体系：联合中国机械工程学会开展蠕变试验操作师认证，累计培训超500名专业人才。  

行业挑战与未来规划  

1. 当前技术瓶颈  

   - 极端条件（如2000℃+超高温、强辐射环境）下的传感器抗干扰能力仍需突破；  

   - 多物理场耦合（热-力-化学）仿真模型精度不足，试验数据与模拟结果偏差约15%。  

2. 2025-2028年战略重点  

   - 超高温扩展：联合西北有色金属研究院开发2000℃级碳-碳复合材料加热体；  

   - 智能化升级：引入量子传感技术，实现纳米级原位应变监测；  

   - 全球化合作：与德国茨维克（Zwick）共建欧洲研发中心，拓展欧盟市场认证（CE/EN标准）。