SUS310S的高温持久性能实验研究

2009年 第 3期（总 129期） CFHI yz.js@cfhi.com 热加工一重技术 摘要：以 SUS310S为研究对象，在高温持久试验机上测定了 SUS310S钢在 800~1 100℃时的高温持久强度，采用时 间-温度参数法求出不同温度下的持久强度，以及通过高温短时实验来推测低温长时间下的持久强度。最后用最小二 乘法处理后得出曲线，再用外推法求出持久强度极限。 关键词：奥氏体耐热不锈钢；SUS310S；高温持久强度 中图分类号：TG113.2 文献标识码：B 文章编号：1673-3355（2009） 03-0016-04 SUS310S的高温持久性能实验研究 杨照明 1 对某些高温零件，如锅炉中的过热器管，不 仅需要良好的抗氧化性能，有时还要承载一定的 应力，这就需要有良好的高温持久性能，在设计 时主要以持久强度为依据。为了获得的持久 强度，必须进行长时期的实验。而应用外推方法 可以大大缩短实验时间，关于外推法的研究主要 从两个方面进行：一是从总结出的金属材料实验 数据，找出经验关系式，用以外推长期的结果； 二是从研究持久强度和高温持久强度的微观过程 出发，建立应力、温度和断裂时间的关系式，用 以指导外推。目前应用较为广泛的方法有：时间- 温度参数法和等温线外推法。 1 实验过程与设备 本实验是在北京航空材料研究院高温蠕变和 持久试验室完成的，试验设备为拉伸蠕变持久试 验机，试验机所加的载荷为静载荷，利用杠杆原 理加载（见图 1、图 2）。 将一个试样在某一温度下加上某一适当的应 力（静载荷） 直到试样断裂为止，记录下断裂的 时间，到此算得到一个数据点，一个数据点需要 一个试样。在五个以上的适当的应力水平进行等 温持久试验，至少有三个应力水平每组做出三个 数据，用最小二乘法处理后得出曲线。再用内插 法或外推法求出持久强度极限。最后得出温度与 持久强度的关系曲线（至少要取 3个温度）。 根据参考文献的选取适当的应力水平，以 保证数据的均匀性，以免数据过于集中。 1.一重集团大连设计研究院助理师，辽宁 大连 116600 图 1 高温持久试验机 图 2 高温持久试验机控制台 42 CFHI 2009年 第 3期（总 129期） yz.js@cfhi.com 热加工 CFHI TECHNOLOGY 2 等温线法外推的计算方法 在给定的温度下，使材料经过规定的时间发生 断裂的应力叫持久强度。有些零件如过锅炉过热器 管，对蠕变速度的限制不严，但必须保证在使用期 限内不致破坏。这些零件的主要设备依据便是持久 强度 [1]。 在锅炉，气轮机和燃气机制造中，机组的设计 寿命一般为数万以至十万小时，这就要根据相应时 间的持久强度来进行设计。而材料的持久强度试验 当然不可能都进行那么长时间。实际上都是由一些 时间较短的试验点，根据经验公式，用外推方法求 得长时间的持久强度。具体做法上有参数法，对数 法等，分别以提高试验温度和加大试验应力来缩短 试验时间。 下面仅以对数法外推做一些简要叙述。应用较 多的对数法经验公式有两种： τ＝Aσ-B !!!!!!!!!!!!!! (1) τ＝Ce-Dσ !!!!!!!!!!!!!! (2) 式中，A，B，C，D是与试验温度，材料有关的常 数。 将 (1) 和 (2) 两式两端分别取对数，则有 lgτ=lgA-Blgσ !!!!!!!!!!! (3) lgτ=lgC-Dσlge !!!!!!!!!!! (4) 从式 (3) 出发，可以从较短时间的试验数据外 推出长时间的持久强度值 [2]。通常用 8～10 根试 样，求出不同应力下的断裂时间，即可进行外推。 一般认为外推到一个数量级（即外推到最长试验时 间的十倍） 得到的外推值是较可靠的 [3]。 在式 (3) 中，令 y= lgσ，x=lgτ，a= lgAB ，b=- 1 B 将方程 (3) 化为直线方程 y=a+bx，用最小 二乘法处理得： a= 1△ n 1 Σyi n 1 Σxi n 1 Σxi yi n 1 Σx2i b= 1△ n n 1 Σyi n 1 Σxi n 1 Σxi yi !!!!!!!! (5) 式中，△= n n 1 Σxi n 1 Σxi n 1 Σx2i 3 时间-温度参数法的计算方法 这种方法是五十年代发展起来的一种外推持久 强度的方法，它指出温度和时间的相互关系，可找 到某一参数 P的数学表达式来表示。它是这一过程 联系温度和时间的函数，参数 P本身又是应力的函 数，即只要金属材料所承受的应力 σ不变，对于 温度 T的时间 τ的各种组合，参数 P 始终保持不 变。即 P=P (σ) ＝常数。参数式可以写成如下的一 般形式： P=P (σ) ＝f (T,τ) !!!!!!!!! (6) 具体的参数关系式很多，L-M 参数法是一种 应用最广泛的外推法，它是 1952 年由 Larson- Miller提出的，基本思想认为温度 T (K) 与断裂时 间有补偿关系，即对一定的断裂应力，温度与时间 是等效的，一也就是说，对于一定断裂应力，只对 应一个 P。这个关系可以用 L-M参数 PL-M来表示。 利用加速实验条件下的蠕变断裂数据进行应力外 推，获得使用条件下的 PL-M，然后计算出断裂时 间。基本关系式是： lgσ=f PL-MΣ Σ=f 10 -3 T C+lgΣ ΣτΣ Σ !!!! (7) 式中，σ—施加的应力；PL-M—L-M参数；T—绝对 温度；τ—蠕变断裂时间； f—函数关系； C—L-M常数，不同的材料有不同的数值， 对于许多钢种均可取 C=20，这样产生的误 差在±10%以内。 根据实验测得的断裂时间和实验温度可算出实 验应力、温度条件下的 PL-M，然后画出 lgσ-PL-M曲线， 即可用图示形式表示 σ、T、τ三者关系图，当知 道了使用条件下的应力后，就可以确定 PL-M，根据 上式算出使用条件下的 τ，这个方法对新材料或用 过的材料都是适用的。 对于使用过的材料，由于其断裂强度低于原始 材料，实验点必落在原始材料点的左下方，把不同 应力的实验点连成线，使其走向与原始材料的主曲 线等距，就构成了用过材料的 lgσ-PL-M曲线图，根 据这个图就可以确定用过材料的剩余寿命。 这种外推法主要优点是使用方便，适用范围 43 2009年 第 3期（总 129期） CFHI yz.js@cfhi.com 热加工一重技术 广，比较准确。不足之处在于必须对构件进行破 坏性实验，耗时费力；当构件出现明显的空洞及 微裂纹之后，很难测得准确的实验数据；受化学 成分、显微组织及运行中工况条件不均匀性的影 响，实验数据分散度较大对一种新材料需要做大 量实验确定 C值，且 C值与应力有关。 4 实验结果与 SUS310S不锈钢在 800~1 100 ℃时，随着应力 的增加，持久断裂时间逐渐减小，应力与断裂时 间成反比例（见表 1、图 3和图 4）。 应用公式 (1) 到 (5)，可以算出经验公式。具 体如下： 800℃时，a＝2.276 0，b＝－0.188 1，公式为： y800=2.2760-0.1881x !!!!!!!! (8) 900℃时，a＝2.004 1，b＝－0.257 9，公式为： y900=2.004 1-0.257 9x !!!!!!!! (9) 1 000℃时，a＝1.661 0，b＝－0.2560，公式为： y1000=1.661 0-0.2560x !!!!!! (10) 1 100℃时，a＝1.283 4，b＝－0.144 3，公式为： y1 100=1.283 4－0.144 3x !!!!!! (11) 由上式进行持久强度的外推计算，理论上算出 该试样持久断裂时间为 10 000 h 所需的最大应力 值，来判断材料的持久寿命，为实际生产应用做理 论指导。 当 τ＝10 000 时，x＝lgτ＝4，代入上式得 y800＝ 2.2760－0.188 1×4＝1.523 6，σ800＝33.388 7 MPa。 重复相应的外推计算过程，可以得出 σ900＝ 9.386 4 MPa，σ1000＝4.335 1 MPa，σ1100＝4.426 9 MPa。 应用公式 (7) 计算 800℃所得数据见表 2。 应用最小二乘法对以上数据进行回归得 lgσ= 6.117 4-0.180 6 PL-M，把 τ＝10 000 代入上式。得 σ80010000＝29.275 2 MPa。同理可得 σ90010000＝8.779 4 MPa，σ100010000＝4.261 2 MPa，σ110010000＝3.752 6 MPa。 试样 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 温度/℃ 应力/MPa 时间/h 温度/℃ 应力/MPa 时间/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 表 1 800℃PL-M和 lgσ数据表 图 3 SUS310S不锈钢 800~1 100℃的高温持久强度曲线 图 4 SUS310S不锈钢 800~1 100℃ 在双对数坐标下的高温持久强度曲线 表 2 SUS310S不锈钢高温持久实验原始数据 44 CFHI 2009年 第 3期（总 129期） yz.js@cfhi.com 热加工 CFHI TECHNOLOGY 5 外推计算 利用持久经验公式外推 SUS310S合金在 10 000 h断裂的最大应力分别为 σ800＝33.388 7 MPa，σ900＝ 9.386 4 MPa，σ1000＝4.335 1 MPa，σ1100＝4.426 9 MPa （见图 5）。 6 结 语 一般认为外推到一个数量级（即外推到最长实 验时间的十倍） 得到的数据是比较可靠的 [4~6]。 必须着重的指出，上面所讲的持久强度直线外 推方法，无论是用对数坐标关系还是半对数坐标关 系，都是近似的。在常用的对数坐标下，实验点并 不是真正的符合线性关系的，实际上是一条具有二 次转折的曲线，只是曲线的某些区域接近于直线。 出现转折的原因与金属断裂的性质的变化有关，即 转折以前是晶内断裂，转折以后是晶界断裂。但这 种观点并没有得到证实。 也就是说由短时间直线外推长时间的持久强 度，往往会造成一些偏差，要准确的估计金属材料 的持久强度值，尚需要对外推方法进一步的研究。 笔者认为在进行持久强度实验时，应该注意一 下几点： (1) 实验点的选取应该充分反应曲线的全貌， 试验点的分布要尽量均匀。 (2) 实验点大多集中在数千小时时不利于外 推。 (3) 对某些零件实验时间要适当长些，尽可能 的做到曲线出现转折以后。 参考文献 [1] 何晋瑞．金属高温疲劳．北京：科学出版社,1998. [2] 平修二（日）：金属材料的高温强度．北京：科学出版社，1983. [3] 杨宜科．金属高温强度及试验．上海：上海科技出版社，1986. [4] 杨宜科．金属高温强度及试验．上海：上海科技出版社，1986. [5] 中山大学数学力学系．概率论及数理统计．北京：人民教育出版 社，1980. [6] 复旦大学．概率论．北京：人民教育出版社，1979. 收稿日期：2009-05-20 图 5 用最小二乘法外推后的双对数坐标下的持久强度曲线 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 封面图片：由一重集团公司为马鞍山钢铁公司车轮分公司设计制造的车轮压轧线 45