两种高温合金蠕变断裂行为的研究

一、引 言 从大量的高温故障分析可看到,断口往往是沿晶或混合型的特征。说明材料高温热强性不足,持久、蠕变裂纹成核和扩展是高温构件失效的一种方式。因此,研究材料在蠕变条件下裂纹扩展的规律,对于合理选材,改进工艺,确保安全,延长寿命都有一定的实际意义。 七十年代以来,用断裂力学方法已成功地研究了疲劳断裂问题,现已进入了定量分析,对构件的剩余寿命作出估计的阶段。从高温故障中,人们开始注意到对高温蠕变条件下断裂     

基于C(t)积分及参数Ac的P92钢高温蠕变裂纹扩展研究

对于在高温环境下工作的构件,蠕变裂纹扩展是一种主要的失效机制,而裂纹尖端的拘束水平对蠕变裂纹扩展率有很大的影响。通过数值仿真与相关试验数据对比的方法,对裂纹扩展尖端的应力应变率场表征参量C(t)积分进行了相关研究,并基于参数Ac研究了P92材料裂纹尖端的拘束水平对蠕变裂纹扩展的影响。研究结果表明,C(t)积分值随裂纹扩展急剧减小,其数值及变化与积分路径到裂纹尖端的距离相关性很强,并且与拘束水平有一定的关系;拘束水平影响蠕变裂纹扩展率,拘束越大,裂纹扩展速率越快;参数Ac可以有效表征裂纹尖端拘束水平,其在寿命预测方面的应用有待进一步研究,同时在含裂纹的高温工作构件寿命评估方面有重大的意义。     

蠕变损伤的概率计算及参数敏感性分析

由于材料性质数据和损伤模型的分散性和不确定性,计算的损伤结果也产生不确定性,概率方法可以定量考虑不确定性的影响。本文根据确定性模型的研究工作,提出了新的蠕变损伤概率计算模型,并对影响高温构件蠕变损伤各参数进行了参数敏感性分析。蠕变损伤的概率计算将为高温构件可靠性评估奠定基础。     

Ti-55511合金高温蠕变行为TEM分析

文章结合Ti-55511钛合金的高温工作环境进行了4组蠕变实验:400℃200MPa、400℃300MPa、500℃200MPa以及500℃300MPa。蠕变后,使用透射电镜实验观察了蠕变后样品的微观组织。结果表明:高温高应力状态下,位错攀移在蠕变过程中占主导地位;在高温低应力或低温高应力状态下,合金蠕变过程主导机制为位错滑移;当温度较低,应力相对较低时,合金蠕变过程中主导机制为晶界扩散机制。     

某卡箍连接片断裂失效分析

通过宏观分析、扫描电镜及能谱分析、金相分析、化学成分分析、力学性能试验及受力分析等方法对卡箍连接片断裂失效原因进行了分析。结果表明:该卡箍连接片失效模式为高温蠕变断裂;导致其断裂的主要原因是装配条件下连接片承受的应力水平较高,在实际工作温度中存在较大的高温蠕变断裂风险;建议根据实际工况选用抗高温蠕变性能良好的材料。     

小试样高通量蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置设计

对于某些取样受限的结构,如在役构件、薄壁件、焊接接头、功能性梯度结构,无法采用传统试样测试获得高温蠕变及裂纹扩展性能,小试样测试方法使得此类构件的高温力学性能的获取成为可能。但现有小试样蠕变试验装置用途单一且存在试样氧化的问题,无法满足试验要求。本文设计一种基于小试样的材料蠕变及蠕变裂纹扩展性能测试装置,装置配备专用夹具和真空系统,可满足不同种类小试样真空环境下的高温试验,避免试样氧化,并可同时完成6个同类或不同类型小试样的蠕变和蠕变裂纹扩展试验。装置采用马弗炉对试样加热,最高试验温度可达1 200℃。采用光栅位移传感器测量小试样变形量,直流电位法测量裂纹长度,提高了变形测量精度。试验结果表明,该装置可以精确测量小试样位移和裂纹长度,用以研究材料蠕变及裂纹扩展性能。     

金属材料的高温蠕变性能分析

本文通过分析金属材料的高温蠕变性能,从蠕变的宏观规律谈起,引出金属高温的几个性能指标,到分析晶体内部的蠕变变形机制,揭示其蠕变的本质,最后提出在实际生产中提高蠕变抗力的途径。     

利用蠕变试验测试钛合金高温弹性模量

由于钛合金高温弹性模量的测试比较困难,一般设计和使用中多以经验和理论值作为依据,缺乏实际测试依据。对此,通过分析材料的弹性模量和蠕变试验特点,提出利用蠕变试验机测试钛合金高温弹性模量的试验方法,并通过BT25和TC4两种钛合金棒材在不同温度和应力下的蠕变试验测试其高温弹性模量。结果表明:利用蠕变试验机测得的钛合金高温弹性模量数据集中,且相比通过拉伸试验机测得的结果精度更高。     

火灾下平行钢丝束温度膨胀及高温蠕变试验研究

采用非接触式应变视频测量系统,对常用于实际工程的1670级平行钢丝束进行了15个温度水平下的温度膨胀试验以及多应力水平下的高温蠕变试验,并对历经2 h高温蠕变试验后冷却至室温的平行钢丝束试件进行了抗拉强度测试,获取了平行钢丝束热膨胀应变历程及高温蠕变应变历程曲线。试验结果表明:平行钢丝束热膨胀应变随着温度升高呈非线性增长,且在750 ℃附近材料微结构发生相变;温度和应力水平对高温蠕变历程均会产生显著影响;蠕变试验温度愈高,应力水平对历经高温后平行钢丝束的剩余抗拉强度的影响愈显著;与1860级预应力钢绞线相比,1670级平行钢丝束具有较小的高温蠕变应变。基于试验数据,建议了平行钢丝束热膨胀系数关于温度的函数式及高温蠕变模型。该文所建议的平行钢丝束热膨胀系数及高温蠕变模型有利于预应力钢结构火灾高温下的力学响应分析。     

失效分析技术及其应用：第十讲 蠕变断裂失效分析

在高温条件下加载的金属构件寿命一般是有限的。金属构件在高温环境下受应力的作用会产生连续应变,并由此引起蠕变。蠕变是在应力作用下出现的与时间有关的应变。经过一段时间后,蠕变可能以持久而结束,也叫蠕变断裂。 出现蠕变和持久失效时的温度、应力和时间条件与金属材料性质及其工作环境有关。因此,高温失效可能在一广泛的温度范围内出现。一般说来,任何金属构件出现蠕变的温度均高于其再结晶温度。 1 蠕变及其断裂 蠕变是指金属材料在恒应力长时间作用下而发生的塑性变形。蠕变可以在任何温度范围内发生,它可发生于从绝对零度起直到熔点为止的整个温度范围内;温度越高,蠕变速度越快,变形更为明显。一般情况下,金属材料的所谓“高温”起始于其绝对熔点温度的1/2,即0.5T_mK;若在0.5T_mK以上的条件下长时间工作的金属构件,如化工容器、锅炉管道、燃汽轮机及其它     

位错蠕变理论的现状和发展

本文主要基于三维位错网络理论,评述了高温蠕变的唯象理论和位错蠕变理论方程,并且对不同蠕变理论进行了统一分析。通过对实际材料蠕变方程的分析,结合作者的工作介绍了蠕变摩擦应力。最后,对位错蠕变理论的发展提出了初步的看法。     

原位合成TiB2/ ZL109 复合材料的高温蠕变行为

采用原位合成方法制备了TiB₂ 超细颗粒增强ZL109 复合材料, 对材料进行了高温拉伸蠕变实验。实验结果表明, 复合材料在高温恒应力条件下, 表现出高的名义应力指数和高的名义蠕变激活能, 优于纯Al 和ZL109 合金, 而且比常规外加颗粒复合材料具有更好的高温蠕变性能。引入门槛应力概念, 复合材料的蠕变实验结果能够用微观结构不变模型来解释, 说明复合材料的蠕变受到基体点阵扩散的控制。复合材料的蠕变断裂行为可以用Monkman2Grant 经验公式来描述, 蠕变断裂特征为延性断裂。     

Ti6A14V钛合金高温蠕变断裂试验

采用 HM-4型高温显微镜及其配套的拉伸炉,对 Ti6Al4V 钛合金进行了高温蠕变试验,并对蠕变裂纹的发生、扩展过程进行了观察和研究。高温蠕变性能对 Ti6Al4V 钛合金来说,在实际使用中是很重要的。本文将对 Ti6Al4V钛合金进行高温蠕变试验的结果及通过 HM-4型高温显微镜观察蠕变裂纹的发生、扩展过程的结果作一介绍。     

DD3合金蠕变寿命预测方法分析

基于金属高温蠕变理论,结合单晶镍基高温合金蠕变过程的微观特点,从蠕变曲线方程的选择、截断应变点的确定以及强化项和弱化项的影响等方面,对采用修正θ函数影射法提高DD3单晶镍基高温合金蠕变寿命预测精度的原因进行了研究.结果表明:θ函数及其修正式将蠕变视为应变强化和应变弱化过程的综合,符合单晶镍基高温合金蠕变过程的实质,从根本上保证了预测的精度;修正的θ函数比早期的θ函数减少一个待定参数,统一了截断应变的确定方法,不仅减少了计算量,而且降低了因参数确定所产生的误差对蠕变寿命预测精度的影响;采用修正的θ影射方法可以很好地描述DD3合金整个蠕变过程,其预测结果完全能够满足实际工程设计的需要.     

预应力钢绞线温度膨胀及高温蠕变性能试验研究

火灾高温下钢绞线的温度膨胀及高温蠕变性能是影响张拉钢结构抗火能力的重要因素。该文以1860级预应力钢绞线为研究对象,采用非接触式应变视频测量系统,测试了钢绞线在15个温度水平下的热膨胀应变,得到热膨胀应变随温度的变化规律,并拟合出热膨胀系数计算公式。研究发现,大约750℃时钢绞线材料发生相变,导致热膨胀应变突变。通过钢绞线在不同温度及应力水平下的高温蠕变试验,得到蠕变应变与时间的关系曲线,并建议了钢绞线高温蠕变计算公式。高温蠕变试验现象表明,在较高温度及应力水平时,蠕变会导致钢绞线断裂;对经2 h高温蠕变未断裂的钢绞线自然冷却到常温后,进行抗拉强度试验,发现其抗拉强度有一定程度的退化,且经历的蠕变温度越高,应力水平对高温蠕变后试件抗拉强度的退化影响越明显。     

一种含4.5%Re/3.0%Ru的单晶镍基合金的高温蠕变行为

通过对含4.5%Re/3.0%Ru单晶镍基合金进行高温蠕变性能测试,并采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对不同蠕变期间的试样进行组织形貌观察,研究了该合金的高温蠕变行为。结果表明,本实验所选用的单晶合金在高温蠕变期间具有良好的蠕变抗力,在1040℃/160MPa的蠕变寿命达到725h。高温蠕变初期,合金中γ′相沿垂直于应力轴方向转变成筏状结构,其稳态蠕变期间的变形机制是位错在基体中滑移和攀移越过筏状γ′相。高温蠕变后期,合金的变形机制是位错在基体中滑移和剪切筏状γ′相。位错的交替滑移使筏形γ′相扭曲,并在γ/γ′两相界面发生裂纹的萌生与扩展直至断裂,是合金在高温蠕变后期的断裂机制。     

Mg-11Gd-2Y-1.5Ag-0.5Zr合金的高温蠕变行为

本工作研究了Mg-11Gd-2Y-1.5Ag-0.5Zr合金在225～275℃/110～150 MPa条件下的高温蠕变行为和组织演变.结果表明:合金在225℃/110～150 MPa蠕变状态下,蠕变应力指数n=3.4,蠕变机制为位错滑移机制;在250℃/110～150 MPa蠕变状态下,蠕变应力指数n=4.7,蠕变机制为位错滑移机制;在275℃/110～130 MPa蠕变状态下,蠕变应力指数n=5.8,蠕变机制为位错滑移机制;在275℃/130～150 MPa蠕变状态下,蠕变应力指数n=10.5,幂律蠕变定律失效,蠕变机制较为复杂.根据蠕变激活能Q值对蠕变机制的分析结果与蠕变激活能n值分析结论基本一致.合金在同一温度下,晶粒尺寸随着应力的增大而增大;在同一应力下,晶粒尺寸随着温度的升高而减小.在本研究中,110～150 MPa的高应力范围内,合金在250℃以下有着良好的抗蠕变性能.     

燃气冲刷下的低循环疲劳

在航空发动机结构中,一些部件在高温状态下工作,如涡轮盘、叶片、燃烧室等,除承受一般机械应力外,还同时受到环境的侵袭。研究和使用的共同经验也表明:高温部件的失效很少单纯由于疲劳或蠕变断裂所造成,常常起因于疲劳—蠕变—环境三方面的交互作用。其中环境腐蚀又易于成为疲劳起始源。目前对热端部件的设计和选材还只限于考虑疲劳—蠕变交互作用的性能。六十年代初诞生的描述低     

GH3536合金的蠕变性能及蠕变行为

对GH3536合金在815～900℃不同应力水平下进行了高温蠕变试验,绘制了蠕变曲线并讨论了试验温度和试验应力水平对GH3536合金蠕变性能的影响规律,通过最小二乘法拟合得到了稳态蠕变速率的应力指数和Monkan-Grant关系式的参数,采用L-M参数法建立了外推公式,并对GH3536合金的蠕变断裂强度进行了外推。结果表明:在试验温度和试验应力水平下,GH3536合金的高温蠕变机制主要为位错的滑移和攀移,蠕变过程中有第二相析出,在晶界以及第二相颗粒处形成R型和W型裂纹;蠕变断裂由颈缩引起,为韧性断裂,断裂过程中发生了微孔的聚集和长大;根据外推公式GH3536合金在815℃下蠕变断裂时间2 000h所对应的蠕变断裂强度为58MPa。     

升温速率对2219铝合金蠕变时效行为的影响

研究2219铝合金在蠕变时效成形过程中,升温速率对其蠕变行为及力学性能的影响规律。实验模拟构件在热压罐中的升温条件,降低材料的升温速率(0.75℃/min),延长其升温时间至4h(某典型构件真实蠕变时效升温时间),分别在0,150,210MPa 3种应力条件及不同的时效时间下进行蠕变实验,并对材料拉伸力学性能和微观组织(TEM)进行分析。结果表明:对比在材料尺度下0.5h的升温条件(5.5℃/min),升温速率的降低,在一定程度上提高了材料的力学性能,并且延长了材料强度达到峰值的时间;铝合金析出相的形状因子随着时效时间呈现先增长,到达峰值后下降的趋势;降低升温速率,材料在升温阶段即已发生了显著蠕变形变,在150MPa和210MPa应力条件下升温阶段的蠕变量分别占总蠕变量的29.28%和21.56%,且蠕变变形量和稳态蠕变速率会随着应力的升高而增加;由此,基于材料尺度(标准蠕变试样)的蠕变时效研究,用于表征构件尺度蠕变时效行为时,须进一步考虑升温速率对其成形及性能演变的影响。