李 杰

(臺州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心)

應(yīng)力松弛穩(wěn)定性是材料在高溫下的重要性能。對長期處于高溫、高應(yīng)力工況下的壓力容器來說，除了要求材料具有較高的蠕變與持久抗力外，還必須具有較高的抗應(yīng)力松弛能力。因此，系統(tǒng)地研究壓力容器用鋼材的高溫應(yīng)力松弛特性非常重要。

應(yīng)力松弛是指在恒定總應(yīng)變的條件下,隨受力時(shí)間的延長,應(yīng)力不斷減小的過程[1]。應(yīng)力松弛現(xiàn)象既存在于高溫條件下,也存在于室溫條件下。目前研究較多的是在高溫使用環(huán)境下金屬材料的松弛問題,主要集中于核電站及火力發(fā)電廠等領(lǐng)域。為確保壓力容器的安全運(yùn)行，筆者系統(tǒng)地研究了SA-508 Gr.3Cl.1鋼在高溫條件下的關(guān)系的應(yīng)力松弛性能。

1 試驗(yàn)過程

1.1試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)工作在某大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。本試驗(yàn)所用裝置為日本島津制作所生產(chǎn)的EHF-ED250KN-400L材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)經(jīng)省計(jì)量檢定修理站檢定，精度等級為1級。高溫試驗(yàn)爐溫由該機(jī)配套的高溫電爐和溫控設(shè)備控制，爐內(nèi)試驗(yàn)溫度的波動(dòng)范圍在±3℃以內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)由配套的載荷傳感器和位移傳感器采集數(shù)據(jù)，同時(shí)采用島津2.03版控制軟件全程控制試驗(yàn)過程并整理試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)所用的SA-508 Gr.3Cl.1低合金鋼鍛件環(huán)料來源于某壓力容器下封頭與筒身段之間的過渡段的延長段，第一重型機(jī)械廠性能試料部分以外的剩余半段環(huán)料部分。這些試料的焊后熱處理均按制造廠的焊后熱處理工藝在電加熱爐內(nèi)進(jìn)行。試樣經(jīng)取樣、線切割為4塊，4塊試料再進(jìn)行線切割，總共可切割為16塊。

每個(gè)試塊沿厚度方向通過線切割可加工5根20mm×20mm×200mm的試樣毛坯，按照文獻(xiàn)[2]的要求車削加工制得φ10mm標(biāo)準(zhǔn)圓棒試樣(圖1)，共80根。

圖1 試樣尺寸示意圖

在高溫拉伸試驗(yàn)過程中，當(dāng)拉伸試驗(yàn)溫度超過了材料的相變起始溫度(730℃)時(shí)，氧化問題尤為嚴(yán)重，為了避免試樣氧化問題，試驗(yàn)前在試樣表面涂抗高溫氧化涂料，使材料表面與空氣中的氧氣隔絕。

1.2應(yīng)力松弛試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)要求，試驗(yàn)溫度取450、600、750℃，控制的恒應(yīng)變量取0.2%、0.5%、1.0%、1.5%、3.0%，每種控制條件下的試驗(yàn)時(shí)間為24h；另外根據(jù)試驗(yàn)要求對以上3種溫度進(jìn)行控制恒應(yīng)變量為1.0%的72h試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程參考文獻(xiàn)[3]中的相關(guān)規(guī)定，先將試樣加熱到設(shè)定溫度，待溫度穩(wěn)定10min后，加載過程采用高溫引伸計(jì)控制，加載的應(yīng)變速率為0.002～0.006mm/s，加載到預(yù)先設(shè)定的應(yīng)變值后，控制應(yīng)變恒定，測量不同時(shí)間下的應(yīng)力值。測試時(shí)，應(yīng)變值的誤差在±0.2%，每隔1s采集一組數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)顯示的載荷值(TD1)、位移值(TD2)和引伸計(jì)測得的變形值(TD4)。典型應(yīng)力松弛試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 典型應(yīng)力松弛過程數(shù)據(jù)采樣

應(yīng)力松弛試驗(yàn)開始時(shí)的應(yīng)力σ0和結(jié)束時(shí)的應(yīng)力σt見表1。

表1 應(yīng)力松弛試驗(yàn)記錄

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理目的是為了繪制應(yīng)力松弛曲線。參照文獻(xiàn)[3]的規(guī)定，對于24h試驗(yàn)分別按：1/60、1/20、1/10、3/20、1/4、1/2、3/4、1、3/2、2、4、8、10、24h的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，而對于72h試驗(yàn)在24h后則按每4h取一個(gè)數(shù)據(jù)；對于少量波動(dòng)較大的數(shù)據(jù)，取該時(shí)刻前后對稱一段時(shí)間范圍的平均值。

450℃時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表2。

表2 450℃時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

注：a～e對應(yīng)應(yīng)變控制值分別為0.2%、0.5%、1.0%、1.5%、3.0%。

通過比較450℃、1.0%應(yīng)變控制值下，72h試驗(yàn)與24h試驗(yàn)的結(jié)果(圖3)可以看出：72h試驗(yàn)的前24h與24h試驗(yàn)的應(yīng)力松弛曲線較接近，誤差較小，最后穩(wěn)定的應(yīng)力值基本上相同。結(jié)果表明應(yīng)力松弛可重復(fù)性較好。

圖3 450℃時(shí)72h試驗(yàn)與24h試驗(yàn)的結(jié)果比較

600℃時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表3。

表3 600℃時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

注：a～e對應(yīng)應(yīng)變控制值分別為0.2%、0.5%、1.0%、1.5%、3.0%。

通過比較600℃、1.0%應(yīng)變控制值下，72h試驗(yàn)與24h試驗(yàn)結(jié)果(圖4)可以看出：72h試驗(yàn)的前24h與24h試驗(yàn)的應(yīng)力松弛曲線較接近，誤差較小，最后穩(wěn)定的應(yīng)力值基本上相同。結(jié)果表明應(yīng)力松弛可重復(fù)性較好。

圖4 600℃時(shí)72h試驗(yàn)與24h試驗(yàn)的結(jié)果比較

750℃時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表4。

表4 750℃時(shí)應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

注：a～e對應(yīng)應(yīng)變控制值分別為0.2%、0.5%、1.0%、1.5%、3.0%。

通過比較750℃、1.0%應(yīng)變控制值下，72h試驗(yàn)和24h試驗(yàn)的結(jié)果(圖5)可以看出：72h試驗(yàn)的前24h與24h試驗(yàn)的應(yīng)力松弛曲線較接近，誤差較小，最后穩(wěn)定的應(yīng)力值基本上相同。結(jié)果表明應(yīng)力松弛可重復(fù)性較好。

圖5 750℃時(shí)72h試驗(yàn)與24h試驗(yàn)的結(jié)果比較

3 結(jié)論

3.1SA-508 Gr.3 Cl.1鋼在450、600、750℃應(yīng)力松弛試驗(yàn)中，在相同的控制應(yīng)變下，隨著溫度的升高σ0和σt都逐漸降低，試驗(yàn)溫度越高時(shí)其應(yīng)力松弛現(xiàn)象越明顯。

3.2相同控制條件下進(jìn)行72h應(yīng)力松弛試驗(yàn)時(shí)的前24h與24h應(yīng)力松弛試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力松弛曲線較接近，誤差較小，重復(fù)性較好。

[1] 楊王玥，強(qiáng)文江.材料力學(xué)行為[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2] GB/T 4338-2006，金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3] GB/T 10120-1996，金屬應(yīng)力松弛試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.