專利名稱:一種變應力金屬高溫時效老化測試方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種變應力金屬高溫時效老化測試方法。屬于材料科學領域。
背景技術:
隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展,許多高參數(shù)大容量火電機組相繼投入運行,電站高溫金屬部件的結構強度、安全性、可靠性以及使用壽命一直是國內外設計、制造、運行、檢修、 監(jiān)督檢驗人員十分關注的問題。隨著高溫長期運行,這些金屬部件的高溫老化問題日益突出。主要表現(xiàn)為隨著高溫長時的運行,金屬材料發(fā)生合金元素再分配、相組成變化,微觀組織老化,進而導致材料高溫強度下降。研究和掌握金屬在高溫長時作用下材料的老化損傷量化規(guī)律,對保證高溫金屬部件的安全運行具有重要的理論價值與實際意義。為獲得金屬材料高溫長時運行后微觀組織與性能老化情況及材料的損傷規(guī)律,需要對其組織性能等老化情況進行檢驗。目前現(xiàn)有標準不齊全,檢驗方法不完整、不直觀,尤其對長期運行后的新型耐熱鋼更是缺乏有效的監(jiān)測。因此,設計高溫時效老化試驗,可以獲得耐熱鋼溫度、應力和時間等運行條件與相結構、微觀組織和性能等參數(shù)之間的變化規(guī)律與量化關系?,F(xiàn)有的高溫時效老化測試方法,首先是要制作試樣,現(xiàn)有的試樣一般都是橫截面為圓形或矩形的棒,兩端為較大的夾持段,中間為較小的同一截面面積的試驗段,兩段之間設有圓弧過渡段。試樣中間部位截面尺寸單一,這樣的試樣每次測試只能得到每次測量只能測試一個參數(shù)。對于需要進行多種截面的金屬部件變應力高溫時效老化測試來說,需要花費大量的時間和試驗費用。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的,就在于提供一種快速高效的變應力金屬高溫時效老化測試方法, 具有測試效率高、成本低、測試時間短的特點,為長期運行后新型耐熱鋼運行監(jiān)測提供重要的理論依據。為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供的技術方案是一種變應力金屬高溫時效老化測試方法,包括試樣制作,其特征是所述的試樣為長條狀,兩端為夾持段和常規(guī)持久試樣相同, 中間為試驗段,兩段之間設有圓弧過渡段,其中的試驗段為變截面圓形或矩形外形,截面面積從夾持段到中心逐步減小,不同截面之間圓滑過渡連接。如果為矩形老化試樣,夾持段試驗寬度為25mm,單邊長度為30mm。中心變截面長度范圍為51-66mm,厚度為1-lOmm,不同截面通過寬度變化而獲得,其厚度不變,其寬度變化范圍為5-10mm,試驗段由1_5節(jié)不同截面構件所組成,截面寬度從夾持段到中心逐步減 如果為圓形試樣,當直徑為5mm時,則試樣總長度為66mm,夾持段單邊長度為 17mm,中心變截面部分長度為25mm ;當直徑為IOmm時,夾持段單邊長度為32mm,中心變截面部分總長度為50mm,不同截面通過直徑變化而獲得,試驗段由對稱的1-5節(jié)構成,結構直徑從夾持段到中心區(qū)域逐步減少。本發(fā)明在常規(guī)高溫拉伸試驗試樣的基礎上,改變了試樣中間部位截面尺寸單一、 每次測量只能測試一個參數(shù)的缺點,將中心區(qū)域設計成多個截面尺寸(受力面積)的構件的結合體,在同一溫度條件下即可以測試不同應力狀態(tài)下的試樣的老化情況。大幅度提高了老化試驗的效率,具有測試方法簡單,溫度應力參數(shù)易于控制,試驗過程省時、高效、節(jié)能的特點。
圖l(a、b)為本發(fā)明中所采用的矩形變截面高溫老化試樣尺寸圖和實物圖;圖2(a、b、c、d)為本發(fā)明所做的高溫老化試驗后試樣實物圖;圖3為本發(fā)明采用的變應力高溫老化時效試驗裝置原理圖;圖4(a、b)為本發(fā)明不同溫度、相同應力老化試樣微觀組織圖;圖5(a、b、c、d)為本發(fā)明同一溫度(700°C )、不同應力老化試樣微觀組織圖。
具體實施例方式以下結合具體的實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步說明。本發(fā)明的變應力金屬高溫時效老化測試方法,除試樣制作外,別的步驟與常規(guī)變應力金屬高溫時效老化測試方法相同,不同之處就在于試樣制作,如圖1所示,本發(fā)明的試樣為長條狀,兩端為夾持段和常規(guī)持久試樣相同,中間為試驗段,兩段之間設有圓弧過渡段,其中的試驗段為變截面圓形或矩形外形,截面面積從夾持段到中心逐步減小,不同截面之間圓滑過渡連接。實施實例1 采用矩形試樣截面,中心變截面尺寸分別為10X5mm、 12. 5X5mm、15X5mm三種截面,試驗溫度為600 °C,設計載荷為7500N,設計應力分別為 150MPa (10 X 5mm), 120MPa (12. 5 X 5mm)、90MPa (15 X 5mm),試樣原始總長度為 158. 5mm。經長時間老化試驗后,試樣總長度變?yōu)?60. 6mm,IOX5. 06mm截面尺寸變?yōu)?9. 91X5. 03mm、12. 5X5. 08mm 截面尺寸變?yōu)?12. 45X5. 06mm、15X5. 04mm 截面尺寸變?yōu)?15. 00X5. 03mm。由于應力不一樣,在同一溫度下,試樣的老化狀態(tài)不一樣,老化情況可以從試樣的微觀組織上進行判斷。實施實例2 采用矩形試樣截面,中心變截面尺寸分別為10. 00 X 5mm, 12. 50X5. 00mm、15. 01 X 5mm三種截面,試驗溫度為650°C,設計載荷為4500N,設計應力分別為 9OMPa (10 X 5mm) ,70MPa(12. 5 X 5mm) ,60MPa (15 X 5mm),試樣原始總長度為 158. 5mm,經長時間老化試驗后,試樣總長度變?yōu)?62. 3mm, 10. 00X5. Olmm截面尺寸變?yōu)?9. 55X4. 86mm、12. 50X5. OOmm 截面尺寸變?yōu)?12. 47X4. 98mm、15. 01X5. 09mm 截面尺寸變?yōu)?4. 93X5. 07mm。由于應力不一樣,在同一溫度下,試樣的老化狀態(tài)不一樣,老化情況可以從試樣的微觀組織上進行判斷。實施實例3 采用矩形試樣截面,中心變截面尺寸分別為10X5mm、 12X5mm、14X5mm三種截面,試驗溫度為675 °C,設計載荷為3500N,設計應力分別為 70MPa(10X5mm)、60MPa(12X5mm)、5OMPa(14X5mm),試樣原始總長度為 158. 5mm,經長時間老化試驗后,試樣總長度變?yōu)?60. 2mm, 10. 05X5. 06mm截面尺寸變?yōu)?. 94X4. 97mm、12.06X5. 09mm 截面尺寸變?yōu)?11. 99X5. 07mm、14. 07X5. OOmm 截面尺寸變?yōu)?br>
13.99X4. 99mm。由于應力不一樣,在同一溫度下,試樣的老化狀態(tài)不一樣,老化情況可以從試樣的微觀組織上進行判斷。實施實例4 采用矩形試樣截面,中心變截面尺寸分別為10X5mm、 12X5mm、14X5mm三種截面,試驗溫度為700°C,設計載荷為2500N,設計應力分別為 50MPa(10X5mm)、40MPa(12X5mm)、3OMPa(14X5mm),試樣原始總長度為 158. 5mm,經長時間老化試驗后,試樣總長度變?yōu)?73. Omm, 10. 05X5. 06mm截面尺寸變?yōu)?. 77X1. 41mm、
12.06X5. 07mm 截面尺寸變?yōu)?11. 92X5. 02mm、14. 06X5. 07mm 截面尺寸變?yōu)?br>
13.94X4. 98mm。由于應力不一樣,在同一溫度下,試樣的老化狀態(tài)不一樣,老化情況可以從試樣的微觀組織上進行判斷。如圖1所示,本發(fā)明所采用老化試樣為矩形變截面試樣尺寸圖和實物圖,試樣中間部分分為5段,第一段為圓弧過渡段,第二段寬度為15mm,長度為20mm ;第三段寬度為 10mm,長度為^mm ;第四段寬度為12. 5mm,長度為20mm,第五段和第一段尺寸一致。通過該種結構,在拉伸過程中,在相同的溫度下,第一到五段承受的應力不同,導致其微觀組織發(fā)生比較明顯的變化,產生不同的材料組織結構變化。也即是采用一次高溫老化試驗達到多次試驗的效果。而常規(guī)老化測試方法,一般情況下中間段尺寸不變,其承受的應力相同,獲得的材料微結構也相同,測試效率較低。圖2為本發(fā)明所做的不同高溫老化試驗后試樣實物圖;從圖中可以看出,700°C老化試驗后試樣在最大應力處斷裂,600°C、650°C、675°C試樣與700°C老化試驗時間相同。圖3為本發(fā)明采用的變應力高溫老化時效試驗原理圖。本發(fā)明所采用的一種變應力高溫時效老化測試方法,通過設計變截面老化試樣, 將加工制作好的變截面試樣安裝在普通高溫蠕變試驗機的試樣夾頭上,試樣外面包裹著高溫加熱爐,通過溫控裝置設置、測量和控制老化試驗溫度,通過加載裝置和杠桿機構,將設計載荷加到老化試樣上,由于試樣的工作部分是變截面,受力面積因位置不同而各異,所以在同一試樣、同一種載荷產生多種應力狀態(tài),同時獲得不同應力的老化試樣。圖4為本發(fā)明所做的不同溫度、相同應力對比老化試樣微觀組織圖,從圖中可以看出,相同應力條件下不同溫度老化試驗后T91鋼組織變化明顯。微觀組織保留原回火馬氏體特征,隨著溫度的升高,原晶界及馬氏體板條束間析出的細小顆粒狀碳化物長大并粗化,原彌散細小碳化物數(shù)量減少。圖5為本發(fā)明所做的同一溫度(700°C )不同應力老化試驗后試樣微觀組織圖,從圖中可以看出,在同一溫度不同的應力條件下,T91鋼的微觀組織發(fā)生了明顯的變化,隨著應力的增大碳化物長大明顯,材料老化加劇。表1為老化試驗數(shù)據,列出了不同的溫度變應力老化試樣試驗參數(shù)及試樣尺寸數(shù)據。表1不同的溫度變應力老化試樣試驗參數(shù)及試樣尺寸
權利要求
1.一種變應力金屬高溫時效老化測試方法,包括試樣制作,其特征是所述的試樣為長條狀,兩端為夾持段,和常規(guī)持久試樣相同,中間為試驗段,兩段之間設有圓弧過渡段,其中的試驗段為變截面圓形或矩形外形,截面面積從夾持段到中心逐步減小,不同截面之間圓滑過渡連接。
2.根據權利要求1所述的變應力金屬高溫時效老化測試方法,其特征是所述的試樣為矩形老化試樣,夾持段試驗寬度為25mm,單邊長度為30mm,中心變截面長度范圍為 51-66mm,厚度為1-lOmm,不同截面通過寬度變化而獲得,其厚度不變,其寬度變化范圍為 5-10mm,試驗段由1_5節(jié)不同截面構件所組成。
3.根據權利要求1所述的變應力金屬高溫時效老化測試方法,其特征是所述的試樣為圓形試樣,當直徑為5mm時,則試樣總長度為66mm,夾持段單邊長度為17mm,中心變截面部分長度為25mm;當直徑為IOmm時,夾持段單邊長度為32mm,中心變截面部分總長度為 50mm,不同截面通過直徑變化而獲得,試驗段由對稱的1-5節(jié)構成。
全文摘要
耐熱鋼高溫老化是目前電站高溫金屬部件中常見的現(xiàn)象之一。為研究高溫金屬部件老化,通常需要設計高溫時效老化試驗,但常規(guī)試驗測試方法效率較低,不能高效測出材料在不同應力條件下的高溫老化情況。本發(fā)明提出一種新型變應力高溫時效老化試驗測試方法,即設計一種變截面試樣,然后同一試樣同一時效溫度和同一載荷下,利用變截面產生三種不同的應力狀態(tài),在不同應力狀態(tài)下產生時效老化,然后設計試驗溫度、應力大小、施加載荷、時效時間等參數(shù),在高溫蠕變持久試驗機上進行高溫時效老化試驗,用于模擬高溫、長時間和不同應力作用條件下金屬材料組織、結構和性能變化規(guī)律。本發(fā)明具有測試簡單,溫度應力易于控制,試驗過程省時、高效、節(jié)能等特點。
文檔編號G01N3/18GK102359916SQ20111023548
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權日2011年8月17日
發(fā)明者李正剛, 王偉, 鐘萬里 申請人:廣東電網公司電力科學研究院, 武漢大學