SUS310S的高温持久性能实验研究

发布时间：2024-11-28

一重技术热加工

SUS310S的高温持久性能实验研究

杨照明1

摘要：以SUS310S为研究对象，在高温持久试验机上测定了SUS310S钢在800~1100℃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

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。为了获得材料的持久强度，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。

图1

高温持久试验机

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

图2高温持久试验机控制台

持久强度的关系曲线（至少要取3

个温度

）。

根据参考文献的资料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工程师，辽宁

大连116600

CFHI

2009年第3期（总129期）

yz.js@http://

热加工

CFHITECHNOLOGY

2等温线法外推的计算方法

式中，△=

Σx

1ni

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-Blgσlgτ=lgC-Dσlge

!!!!!!!!!!!(3)!!!!!!!!!!!(4)

ΣxΣx

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：

!!!!!!!!!(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：

-3

Σ!!!!(7)lgσ=fΣPL-MΣ=fΣ10TΣC+lgτΣ

P=P(σ)＝f(T,τ)

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=lgA，b=-1将方程(3)化为标准直线方程y=a+bx，用最小二乘法处理得：

a=1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

ΣyΣx

ΣxyΣx