高温下1770级_P5钢丝蠕变及应力松弛性能试验研究

考虑高温蠕变和残余应力的高强度Q460钢柱抗火性能研究钢柱的抗火性能研究对钢结构设计至关重要,在火灾下钢柱的提前失稳破坏将直接影响到结构的安全。

Q460钢材相对于普通钢材具备更优的力学性能,能有效减轻结构自重和减小截面尺寸,从而带给结构设计更多的可能性和更大的经济效益,因此成为我国目前大力推广并广泛应用的钢材之一。

在火灾下,无保护钢构件的升温较快,钢材屈服强度和弹性模量随着温度的升高而急剧降低,极易造成结构丧失承载能力而破坏。

研究表明基于普通钢构件的设计方法并不适用于高强钢结构,因此对高强度Q460钢柱的抗火性能研究具有重大意义。

在高温作用下,蠕变效应十分明显,将增大钢柱变形,加速其破坏,降低火灾下承载力。

而残余应力在高温作用下则有所降低,在我国抗火设计规范中尚未考虑这一变化以及蠕变带来的影响。

本文对Q460钢柱高温下蠕变屈曲性能以及抗火性能进行分析,主要内容如下:(1)钢柱高温蠕变屈曲试验:对6根高强度Q460焊接H形钢柱进行了高温蠕变屈曲性能的试验研究,考虑长细比、荷载比和温度三个参数的影响,测得试验过程中的炉温、柱温、侧向位移和轴向位移随时间的变化,得到试件在恒温恒载下的蠕变屈曲破坏时间。

(2)钢柱抗火性能试验:对2根高强度Q460焊接H形钢柱进行ISO-834标准升温曲线下的抗火性能试验,测得了炉温、柱温、侧向位移和轴向位移随时间的变化,得到不同荷载比下钢柱的耐火极限和临界温度。

(3)高强度Q460钢柱蠕变屈曲以及抗火性能分析:引入高强度Q460钢材高温下的力学性能、蠕变参数、残余应力参数,采用ANSYS有限元程序建立了考虑高温蠕变和残余应力的轴心受压Q460钢柱的力学性能分析模型。

将有限元的分析结果与Q460钢柱的蠕变屈曲试验和抗火性能试验结果进行对比,验证了有限元模型的正确性,并用验证后的有限元模型进行了Q460钢柱高温蠕变屈曲的参数分析,考虑了长细比、荷载比、温度和初弯曲对钢柱高温蠕变屈曲性能的影响。

第一章用一句话对下列的概念进行解释：1）刚度 2 ）强度 3 ）塑性 4 ）屈服 5）韧性 6）形变强化。

对拉伸试件有什么基本要求？为什么？为什么拉伸试验又称为静拉伸试验？拉伸试验可以测定哪些力学性能？试件的尺寸对测定材料的断面收缩率是否有影响？为什么？如何测定板材的断面收缩率?下列的情况与图1-3 中的哪个图对应？1 ）装有开水的玻璃杯浸入冷水中破裂。

2 ）用钢丝捆绑物件时拧的过紧造成钢丝断裂。

3 ）在大风中电线被拉断。

4 ）自行车闸被拉断。

5）金项链被拉断。

6 ）锯木头时锯条突然断裂。

试画出示意图说明：脆性材料与塑性材料的应力—应变曲线有何区别？高塑性材料与低塑性材料的应力—应变曲线又有何区别？能否由材料的延伸率和断面收缩率的数值来判断材料的属性：脆性材料、低塑性材料、高塑性材料？工程应力--应变曲线上b点的物理意义？试说明b点前后式样变形和强化的特点？脆性材料的力学性能用哪两个指标表征? 脆性材料在工程中的使用原则是什么？何谓材料的弹性、强度、塑性和韧性？试画出连续塑性变形强化和非连续塑性变形强化材料的应力—应变曲线?两种情况下如何根据应力—应变曲线确定材料的屈服强度？条件屈服强度与屈服强度存在本质区别吗？条件屈服强度与条件弹性极限存在本质区别吗？何谓工程应力和工程应变?何谓真应力和真应变?两者之间有什么定量关系?拉伸图、工程应力—应变曲线和真应力—真应变曲线有什么区别？试画出低碳钢在压缩试验条件下的工程应力—应变曲线和真应力—真应变曲线？颈缩发生后如何计算真应力和真应变? 如何根据材料的拉伸性能估算材料的断裂强度和断裂延性？现有do=10mm的圆棒长试样和短试样各一根，测得其延伸率d10与d5均为25%，问长试件和短试件的塑性是否一样？第二章为什么说金属的弹性模量是一个对组织较不敏感的力学性能指标?哪些因素对弹性模量会有较明显的影响?由图2-1，试分析当拉应力增大，弹性模量的精确值会发生怎样的变化？当压缩应力增大时，又会如何变化？试写出在单轴应力（sx10，其它应力分量为0）平面应力（sz=tyz=t zx=0）和平面应变（ez=gyz=gzx =0）条件下的虎克定律。

第2部分高温运行设备材料损伤与剩余寿命第1章高温运行设备材料性能要求1.1 高温的定义高温容器及高温管道一般以350℃为界，而高温炉管通常指500℃以上。

例如GB50235-97《工业金属管道工程施工及验收规范》规定，高温（管道工作温度高于250℃）或低温（管道工作温度低于-20℃）管道的螺栓，在试运行时应按规定进行热态或冷态紧固。

又如，GB150-98《钢制压力容器》附录F“钢材高温性能”中给出了钢材在400℃及以上温度10万小时的持久强度值，隐含400℃为高温环境。

而GBJ235-82《工业管道工程施工及验收规范》（金属管道篇）、原中石化公司SH01005-92《工业管道维护检修规范》、原化工部HG25002-91《管道阀门维护检修规范》、原化工部95年颁发的《化工企业压力管道管理规定》和《化工企业压力管道检验规程》等规范(规程)则要求碳素钢370℃以上，合金钢及不锈钢450℃以上，压力管道的类别要提高，这说明对碳素钢370℃是高温界限，而对合金钢及不锈钢450℃才算是高温。

表2-1-1 管道热态紧固、冷态紧固温度（℃）（GB50235-97）说明：250℃和350℃对压力管道来说是两个表示高温的分界值。

1.2 高温装置举例（1）工业领域高温装置举例见表2-1-2。

表2-1-2 高温领域举例（2）石油炼制和石化工业中典型的高温装置表2-1-3和表2-1-4分别为炼油装置和石化装置的高温部位举例。

表2-1-3 炼油装置中高温部位举例表2-1-4 石油化工装置中高温部位举例1.3 高温下对金属材料的基本要求（1）优异的、综合的高温力学性能优良的抗蠕变性能、高温持久强度、良好的高温疲劳性能、适当的高温塑性等（2）在相应的工作环境中具有良好的耐高温腐蚀性能耐高温氧化、耐高温流化、耐高温腐蚀（混合气氛）（3）足够好的冶炼加工等工艺性能复杂形状工件成形，化学成分要求严格。

（4）适宜的经济可行性材料寿命+材料成本+加工成本+部件可更换性+安全可靠性＝选材第2章金属材料的高温力学性能2.1 高温承载金属力学行为特点与常温承载相比，高温承载的金属力学行为具有如下特点（见图2-2-1～2-2-1）。

耐热钢的高温力学性能耐热钢的基本性能是它在高温下的力学性能和耐腐蚀性能，同时还有常温下的力学性能、工艺性能和物理性能等。

耐热钢的高温力学性能主要包括蠕变性能、持久强度、疲劳性能、松弛性能等。

1 蠕变性能耐热材料的蠕变是指温度高于0.5T下，材料所承受的应力远低熔点于屈服强度的应力时，随着加载时间的持续增加而产生的缓慢塑性变形现象。

通常用蠕变曲线来描述材料的蠕变规律。

在实践中通常使用条件蠕变极限来测定耐热钢的蠕变性能。

条件蠕变极限是指在获得一定变形速率，在规定时间内获得一定总变形量的应力。

一般用下列两种方式表示：表示；1) 以伸长率确定蠕变极限时，用σδτ/τ表示。

2) 以蠕变速率确定蠕变极限时，用σv在工程实践中常用规定的蠕变速率确定蠕变极限。

汽轮机、锅炉设备零部件的工作时间一般规定为105h。

用于汽轮机、锅炉设备的耐热钢，其条件蠕变极限的确定是以105h变形为1%时的应力来计算零部件的强度。

2 持久强度耐热材料的持久强度是指在给定的温度下和规定的时间内断裂时的强度，要求给出的只是此时所能承受的最大应力。

持久强度试验不仅反映材料在高温长期应力作用下的断裂应力，而且还表明断裂时的塑性(即持久塑性)。

耐热材料零部件在高温下工作的时间长达几百小时，几千小时，甚至几万小时，而持久强度试验不可能进行那么长时间，一般只做一些应力较高而时间较短的试验，然后根据这些试验数据利用外推法，得出更长时间的持久强度值。

但外推法所得持久强度值可能与实际值有差距，因此，重要的材料仍需进行长达数万小时的持久强度试验。

耐热材料零部件由于温度波动会加速蠕变过程，降低持久强度。

有些耐热钢有缺口敏感性。

缺口所造成的应力集中对持久强度的影响决定于试验温度、缺口的几何形状、钢的持久塑性、热处理工艺及钢的成分等因素。

3 疲劳性能高温下工作的材料，除经受机械疲劳之外，还经受热疲劳作用。

材料经多次反复热应力循环以后导致破坏的过程称为热疲劳。

航空发动机涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘及汽轮机叶片等部件经常处于温度急剧交变情况下工作．使材料内部承受交变的热应力，同时伴随着弹性变形的循环，由此引起塑性变形逐渐积累损伤，最后导致材料破坏。

第37卷　第12期T92钢高温时效硬度变化试验及蠕变性能研究王　亮1,刘宗德1,陈　鹏1,郑德卓21.华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京　1022062.华北电力科学研究院有限责任公司,北京　100045[摘 要]　为了研究T92铁素体钢在高温时效后的硬度变化,对其在温度700℃、725℃和750℃下进行了时效试验,结果表明,随温度的提高和时间的延长,T92钢的硬度会逐渐下降,时效温度是硬度变化的主要影响因素;硬度的降低会加剧材料蠕变寿命的损耗。

结合试验数据拟合出时效硬度与Lar son -Miller 参数之间的关系,按照Larson -Miller 参数整理得到T92钢的硬度下降规律与试验值基本一致。

[关　键　词]　T92铁素体钢;高温;时效;硬度;蠕变性能[中图分类号]　TG115.5+1[文献标识码]　A[文章编号]　1002-3364(2008)12-0026-05收稿日期:　2008-01-21基金项目:　教育部长江学者和创新团队发展计划资助(IRT0720);国家自然科学基金资助项目(10772066)作者简介:　王亮(1982-),男,汉族,华北电力大学硕士研究生,研读方向为热力设备寿命管理与延寿技术。

T92铁素体钢由于良好的高温强度和蠕变性能目前被广泛用于替代T /P91钢作为锅炉高温蒸汽管道用钢,而且由于其在600℃时的许用应力比P91钢高34%,达到TP347的水平,成为可以替代奥氏体钢的候选材料之一[1]。

硬度是衡量材料老化程度的一个重要指标,锅炉管道用钢蠕变断裂特性下降,就是管材硬度不断降低而引起的。

这种由于运行时间产生的材料硬度的下降会大大加剧其蠕变寿命的损耗。

因此,从上世纪80年代起,国外已把硬度测量作为电厂管材寿命预测定量分析的依据。

1　试验材料及方法试验采用日本进口的T92新型耐热钢,其化学成分和力学性能见表1[3]。

T92的母材组织主要由板条状回火马氏体组成。

陶瓷材料高温抗蠕变性能综述张灼材科1107摘要：本文从蠕变的定义，材料在高温下蠕变的形成机理，相关理论解释和材料蠕变的影响因素这四个方面进行阐述。

其中也对几种有特点的材料体系的蠕变现象和性能给予介绍，解释。

关键词：三个阶段，四个区域，晶界机理，晶格机理，位错运动，外界因素，本征因素。

正文：我们是这样定义材料蠕变这个现象的，材料在高温和恒定的应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形，这种现象称为蠕变。

所以，蠕变是在恒定应力作用下，随着时间的延长而材料持续形变的过程。

我们说在常温条件下，陶瓷的脆性断裂应变很小，因为属于脆性材料。

陶瓷在受到临界应力的时候，发生微小的弹性形变，然后就是迅速断裂，没有我们说的蠕变现象。

但是在高温条件下，陶瓷材料却有着与常温下不同的蠕变行为。

借助于高温作用和外力作用，陶瓷的形变障碍得到克服，内部质点发生迁移，晶界相对移动，于是蠕变现象产生了。

高温蠕变是陶瓷的重要的力学性能之一，在高温情况下其抗蠕变性能远远优于普通的金属材料，所以成为了大家关注的新型工程材料。

蠕变分为几个阶段，几个区域有不同见解。

有的文献把材料的蠕变分为四个阶段（我们学的《无机材料物理性能》）：起始区域，蠕变减速阶段，蠕变稳态阶段，加速蠕变阶段。

而一般文献，科普，报刊，往往把第一个阶段忽略了，因为产生的形变微小，相对于后几个可以不计。

下面主要介绍蠕变减速，稳态和加速阶段。

如图所示，Ι区域是我们熟知的高温蠕变减速阶段，曲线斜率减小，意味着应变速率随着时间的递增而递减。

到达b点时，曲线斜率接近一个常数，小于在a点时的速率。

Ⅱ区域我们称为蠕变稳态阶段，这一阶段特点是蠕变速率几乎不变，从图像反映出来是一条直线。

而Ⅲ区域，就是加速蠕变阶段，特点是蠕变速率随时间增加而增加，曲线变陡。

能预言到最后，蠕变过大，材料断裂破坏。

通常认为，减速蠕变来源于材料滞弹性形变，可根据滞弹性范围内的固体的力学原理进行解释。

滞弹性过程完成后，材料便由某种或者几种机理控制，以恒定的速率进行蠕变，这个阶段也就是稳态蠕变阶段。

高速工具钢的高温持久力学性能研究摘要：高速工具钢是一种重要的金属材料，广泛应用于机械制造、航空航天、汽车等领域。

在高温环境中，工具钢的力学性能会发生变化，因此研究高速工具钢在高温条件下的持久力学性能对于产品的寿命和可靠性具有重要意义。

本文主要探讨了高速工具钢的高温持久力学性能，包括高温下的塑性变形、疲劳寿命以及高温下的硬度和强度等方面。

通过实验和理论分析，可以改进高速工具钢的设计和制造，提高其高温环境下的性能。

关键词：高速工具钢，高温，持久力学性能，塑性变形，疲劳寿命，硬度，强度1. 引言高速工具钢是一种具有优异的切削和耐磨性能的金属材料，广泛应用于机械制造、航空航天、汽车等领域。

然而，在高温环境中，工具钢的力学性能会发生改变，这对于产品的寿命和可靠性构成了挑战。

因此，研究高速工具钢在高温条件下的持久力学性能对于提高产品质量和推动工业发展具有重要意义。

2. 高温下的塑性变形高温下的塑性变形是高速工具钢在高温条件下的一种重要力学行为。

随着温度的升高，高速工具钢的塑性和延展性会增加，同时材料的强度和硬度会降低。

为了研究高温下的塑性变形，可以采用拉伸试验和压缩试验等方法对高速工具钢进行力学性能测试。

实验结果表明，在高温条件下，高速工具钢的塑性变形主要以晶体滑移和晶体再结晶为主要变形机制。

3. 高温下的疲劳寿命在高温环境中，高速工具钢的疲劳寿命会明显降低。

高温条件下，工具钢的疲劳裂纹扩展速率增加，导致寿命降低。

因此，准确预测高温下工具钢的疲劳寿命对于产品的可靠性设计和寿命评估具有重要意义。

采用旋转弯曲疲劳试验等方法，可以获取高温下高速工具钢的疲劳性能数据。

实验结果表明，高温下的疲劳寿命受到应力水平、温度和试验频率等因素的影响。

4. 高温下的硬度和强度高温下的硬度和强度是评估高速工具钢性能的重要指标。

实验证明，在高温条件下，高速工具钢的硬度和强度逐渐降低。

高温条件下，晶体内部的原子迁移和结构变化会导致高温下工具钢的硬度和强度下降。

1400度真空高温蠕变持久试验机系统产品介绍：馥勒1400度真空高温蠕变持久试验机系统用于各种材料在高温、超高温真空环境下的蠕变和长时持久拉伸试验、应力松弛试验等，可以实现1200度、1300度、1400度、1600度、1800度等高温超高温真空环境下的蠕变持久松弛力学试验。

该试验机系统由进口全数字伺服电机、高精密滚珠丝杠传动系统、落地式结构主机、电气传动系统、FL真空高温控制系统、FULETEST测量控制系统、进口高精度力传感器、高温变形测量装置、工业控制计算机系统组成。

试验标准：试验机参考标准：Q/FL-2019《计算机控制真空高温蠕变持久应力松弛试验标准方法》；检验标准：JJG276 《高温蠕变、持久强度试验机》；试验方法：GB/T2039《金属拉伸蠕变及持久试验方法》；行业试验标准：HB5151\ HB5150金属材料高温蠕变持久试验方法；主要技术规格参数：规格型号：FLEC304Z，FLEC504Z，FLEC105Z；试验力可选：0-30KN，50KN，100KN；精准度等级：1级/0.5级；试验力测量范围：1%-100%FS；试验力示值相对误差：≦示值的±1%/示值的±0.5%；变形分辨力：试验力的1/350000FS；同轴度：≤8％；高温范围：300度~1200度、600度~1600度、1800度或定制更高温度；试验行程：按试验要求定制；高温夹具选择：真空棒试样高温拉伸夹具、板试样高温拉伸夹具等；真空高温炉：真空高温炉内部向分为上下两个空间，中间装有水冷隔热板。

上腔为高温区，进行拉伸试验、安装高温夹具及试样，下腔为高温变形测量区；高温变形测量：1400度真空高温蠕变持久试验机系统采用双边引伸测量取其平均值方式，变形传感器采用进口品牌电感式位移传感器，耐高温、外形尺寸小，稳定性好、分辨率高、精度高。

测控系统：馥勒FULETEST真空高温测量控制系统采用嵌入式一体化触摸屏或计算机作为操作、显示、控制单元。

P91钢高温蠕变行为数值研究由于优异的抗高温蠕变强度和良好的焊接性能,P91钢现已被广泛应用于火力发电厂的主蒸汽管道等结构中。

然而,在温度场和应力场的长期耦合作用下,P91钢不可避免地发生蠕变损伤,从而成为制约其结构完整性和运行可靠性的重要因素。

因此,本论文以P91钢为研究对象,在实验与理论相结合的基础上,借助有限元数值计算深入探讨P91钢的高温蠕变行为。

首先,通过选取合理的温度与应力组合,分别进行了不同条件下的蠕变持久试验和间断试验。

在此基础上,结合对实验数据的进一步分析,构建了不同温度下的P91钢蠕变本构方程。

最后,利用ABAQUS有限元软件中的二次开发功能,系统分析了P91钢的单轴蠕变行为和多轴蠕变行为。

具体研究内容和取得的主要结论如下:1)通过高温单轴拉伸实验,测得P91钢在580℃下的屈服强度为281 MPa、极限抗拉强度为365 MPa、弹性模量E为170.065 GPa;620℃时为215 MPa、为307 MPa、E为107.541 GPa。

在此基础上,利用蠕变持久实验,测得580℃时2/3±10 MPa(180 MPa、190 MPa、200 MPa)应力水平下的蠕变寿命分别为631.9 h、285.8 h、139.2 h;620℃时,三分之二±10 MPa(135 MPa、145 MPa、155 MPa)条件下的蠕变寿命分别为305.1 h、110.4h、46.5 h。

从中可以明显看出,温度和应力均对蠕变寿命有着显著影响;2)通过对620℃、145 MPa条件下不同蠕变阶段试样微观组织和持久蠕变试样端口形貌的精细考察,揭示了本研究中P91钢的主要蠕变损伤机制—析出相粗化和空洞形核。

在此基础上,结合上述测量得到的完整蠕变曲线,利用拟合方法建立了基于微观力学的统一蠕变损伤本构方程—双曲正弦模型,并通过泛化处理构建了多轴应力条件下蠕变损伤本构方程;3)在上述双曲正弦蠕变损伤本构模型的基础上,借助ABAQUS有限元软件中的二次开发功能—UMAT子程序,对不同条件下的P91钢单轴蠕变行为进行了有限元模拟计算。