CN102331377B - 一种评估t/p92钢的蠕变性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种评估T/P92钢的蠕变性能的方法，包括：①对于温度T和应力σ状态下的蠕变性能，通过高温蠕变试验获得试样在温度T和应力σ下的若干应变数据；②选取六组以上的试验条件并对T/P92钢试样实施高温蠕变试验直至试样断裂，获得在各试验条件下的短时应变数据；③根据θ参数法模型对短时应变数据拟合获得与各个θ参数对应的材料系数；④利用材料系数和应变数据外推出温度T和应力σ下θ参数；⑤利用④的结果获得T/P92钢在温度T和应力σ下的蠕变曲线方程，并据此评估相应钢种的蠕变性能。本发明的结果与试验数据的吻合性良好，可有效提高θ参数法预测T/P92钢蠕变曲线第三阶段的准确性。本发明可用于高温持久试验设计以及利用短时试验数据评估长时蠕变性能。
Description
技术领域
本发明涉及T/P92铁素体耐热钢的蠕变性能的评估，具体地说，涉及提高利用T/P92铁素体耐热钢在550~750℃范围内的短时蠕变试验变形数据预测相应钢种蠕变变形曲线第三阶段准确性的方法。
背景技术
典型的蠕变曲线分为三个阶段：①前期的减速变形阶段；②第二阶段的匀速变形阶段；③第三阶段的加速变形阶段。通过对材料的蠕变曲线进行预测评估材料的蠕变性能是一种常用方法。在这些方法当中以θ参数法的应用较为广泛，它是一种以恒应力蠕变试验为基础的蠕变变形估算方法，其基本模型是 ，式中ε为应变，t为时间，θ 1 ~θ 4 为描述蠕变曲线各个变形阶段特征的参数，通过按照上述模型对有限的实验数据进行拟合得到θ 1 ~θ 4；然后根据外推模型
进行外推，式中T为温度，σ为应力，θ r 分别为θ 1 ~θ 4 ，a r ~d r 为与θ r 对应的材料系数。T/P92钢是一种在超超临界火电机组中得到广泛应用的新型铁素体耐热钢，其服役温度为550~625℃，评估其长时蠕变性能时温度一般选择在550~750℃范围内进行；其服役应力低于30MPa，但由于在服役状态下其蠕变断裂时间比较长，因此评估其长时蠕变性能时应力一般选择在高于30MPa的范围内进行。T/P92钢的长时蠕变性能数据通常通过对短时试验数据进行外推得到。然而相关的研究表明，θ参数法用于预测T/P92钢蠕变曲线时，第一和第二阶段的应变预测值与实测值的实吻合性良好，然而在与蠕变断裂紧密相关的第三阶段应变预测值与实测值出现了偏离。这种偏离在预测T/P92蠕变断裂寿命时会导致严重的过估。如何提高θ参数法在应用于此类钢种时预测蠕变曲线第三阶段的准确性，从而有效提高评估T/P92钢蠕变性能的准确性，是本发明的一个关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用T/P92在550~750℃范围内的短时蠕变试验变形数据预测相应钢种长时蠕变变形数据的评估T/P92钢的蠕变性能的方法，该方法可以有效提高θ参数法预测蠕变曲线第三阶段的准确性，进而提高评估T/P92钢的蠕变性能的准确性。
本发明提供的技术方案是：一种评估T/P92钢的蠕变性能的方法，包括以下步骤：①确定T/P92钢试样的待评估目标是处于温度T和应力σ状态下的蠕变性能，根据GB/T2039—1977标准，在温度T和应力σ试验条件下对T/P92钢试样实施高温蠕变试验，试验时间持续到蠕变试验出现最低蠕变速率停止，记录该试验时间点t和对应的应变ε；②在550~750℃范围内选取两个以上温度T h （h=1,2…），在大于应力σ且小于300MPa的范围内选取三个以上应力σ k （k=1,2,3…），由所选取的温度T h 和应力σ k 构成六组以上不同的试验条件（T h ，σ k ），根据GB/T2039—1977标准，在这些试验条件（T h ，σ k ）下对T/P92钢试样实施高温蠕变试验直至试样断裂，分别获得各组试验条件下的试验时间t i,hk 和对应的应变ε i,hk ，下标i表示记录试验时间点的序号，每组试验至少要记录8个时间点，下标h和k分别表示试验温度T h 和应力σ k 的序号，即t i,hk 表示在温度T h 和应力σ k 条件下进行高温蠕变试验记录的第i个时间；③利用θ参数法公式对每组试验条件（T h ，σ k ）下的ε i,hk 和t i,hk 数据进行最小二乘法拟合求出每一组试验条件下的待定参数θ j,hk (θ 1,hk 、θ 2,hk 、θ 3,hk 、θ 4,hk )，θ参数是描述蠕变曲线各个变形阶段特征的参数，下标j为θ参数的序号，分别等于1~4；利用θ参数法公式
对各组试验温度T h 和应力σ k 数据及其对应的参数θ j,hk 进行最小二乘法拟合求出与第j个θ参数对应的待定材料系数a j ，b j ，c j 和d j ，下标j表示该材料系数对应第j个θ参数；④利用公式
在j=1~3时代入a j ~d j 及温度T和应力σ计算得到待定参数θ 1 ~θ 3 ，然后将θ 1 ~θ 3 的值及步骤①中的应变ε和时间t数据代入公式
计算出θ 4 的值，上述θ 1 ~θ 4 表示在温度T和应力σ试验条件下的θ参数；⑤根据步骤④的参数θ 1 ~θ 4 计算结果获得在温度T和应力σ试验条件下的蠕变曲线方程
，式中ε'为预测应变，t为时间，在坐标图上利用该方程绘制出应变—时间曲线，用该曲线评估相应钢种在在温度T和应力σ试验条件下的蠕变性能。
上述步骤④中利用θ参数法模型计算出在温度T和应力σ试验条件下的参数θ 1 ~θ 3 -，而参数θ 4 -则通过步骤②中达到最低蠕变速率附近的若干个试验数据点计算得到。由于改变θ 4 并不改变蠕变曲线第一阶段的形状，却能影响该曲线的第三阶段，因此本发明方法可以避免θ参数法用于预测9-12Cr%钢蠕变曲线时存在的蠕变第一和第二阶段吻合性良好而第三阶段实测与预测值出现了偏离的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中 P92钢在650℃和65MPa试验条件下的预测蠕变曲线与实测数据点的对比图。
具体实施方式
本发明包括以下步骤：
①高温蠕变试验
确定T/P92钢试样的待评估目标是处于温度T和应力σ状态下的蠕变性能，根据GB/T2039—1977标准，在温度T和应力σ试验条件下对T/P92钢试样实施高温蠕变试验，试验时间持续到蠕变试验出现最低蠕变速率停止，记录该试验时间点t和对应的应变ε；另需在550~750℃范围内选取两个以上温度T h （h=1,2…），在大于应力σ且小于300MPa的范围内选取三个以上应力σ k （k=1,2,3…），由所选取的温度T h 和应力σ k 构成六组以上不同的试验条件（T h ，σ k ），根据GB/T2039—1977标准，在这些试验条件（T h ，σ k ）下对T/P92钢试样实施高温蠕变试验直至试样断裂，分别获得各组试验条件下的试验时间t i,hk 和对应的应变ε i,hk ，下标i表示记录试验时间点的序号，每组试验至少要记录8个时间点，下标h和k分别表示试验温度T h 和应力σ k 的序号，即t i,hk 表示在温度T h 和应力σ k 条件下进行高温蠕变试验记录的第i个时间；
②获取材料常数
将步骤①中的获得的每一组试验条件（T h ，σ k ）下的试验时间t i,hk 和对应的应变ε i,hk 绘于同一坐标轴中，利用θ参数法公式
对每组试验条件（T h ，σ k ）下的ε i,hk 和t i,hk 数据进行最小二乘法拟合求出每一组试验条件下的待定参数θ j,hk ，θ参数是描述蠕变曲线各个变形阶段特征的参数，下标j为θ参数的序号，分别等于1~4；利用θ参数法公式
对各组试验温度T h 和应力σ k 数据及其对应的参数θ j,hk 进行最小二乘法拟合求出与第j个θ参数对应的待定材料系数a j ，b j ，c j 和d j ，下标j表示该材料系数对应第j个θ参数；
③确定在温度T和应力σ试验条件下的θ 1 ~θ 4 值
利用公式
在j=1~3时代入a j ~d j 及温度T和应力σ计算得到待定参数θ 1 ~θ 3 ，然后将θ 1 ~θ 3 的值及步骤①中的应变ε和时间t数据代入公式
计算出θ 4 的值，上述θ 1 ~θ 4 表示在温度T和应力σ试验条件下的θ参数；
④ 绘制蠕变曲线
在坐标轴中利用步骤③获得的在温度T和应力σ试验条件下蠕变曲线方程
绘制出该试验条件下完整的应变—时间曲线，利用该曲线评估相应钢种的蠕变性能。
实例：
利用P92钢600℃（应力为135~190MPa）和650℃（应力为87~125MPa）的蠕变试验变形数据外推其在650℃和65MPa条件下的蠕变曲线。表1为P92钢在600℃（应力为135~190MPa）和650℃（应力为87~125MPa）试验条件下的蠕变变形数据，高温蠕变试验持续至试样断裂，表中包含试验温度(T h /h)，试验应力(σ k /MPa)，试验时间(t i,hk /h)以及蠕变应变(ε i,hk )；表2为P92钢在650℃和65MPa试验条件下在试验出现最低蠕变速率附近的蠕变变形数据表，包含试验温度(T/h)，试验应力(σ/MPa)，达到最低蠕变速率的试验时间(t/h)以及蠕变应变(ε)。首先，按照具体实施方式①~②根据θ参数法公式
和
对表1中P92钢每一试验条件（T h ，σ k ）下的蠕变变形数据进行拟合，获得P92钢的材料系数a j ，b j ，c j 和d j ，材料系数a j ~d j 的具体数据见表3所示；然后根据具体实施方式③中的公式
计算出P92钢在温度T=650℃和应力σ=65MPa试验条件下的参数θ 1 =0.0154，θ 2 =0.0000668，θ 3 =0.0000428；然后将表2中的蠕变应变(ε/%)和试验时间(t/h)数据代入公式
，计算得到参数θ 4 的值θ 4 =0.000161，，从而获得在温度T=650℃和应力σ=65MPa试验条件下的预测蠕变曲线方程
，其中t表示时间，ε'表示预测应变。图1为利用该方程绘制出的在温度T=650℃和应力σ=65MPa试验条件下的预测曲线（图中实线）与实测数据点（图中空心圆点）的对比图，二者吻合良好，从而利用最长时间为19611h的实测应变数据即可较为准确的预测出46000h内的应变数据，减少了一半以上的试验时间，大大降低了试验成本。
表1 P92钢高温蠕变应变数据表
表2 P92钢在650℃和65MPa试验条件下达最低蠕变速率的时间及相应的应变
| T | 650℃ |
| σ | 65MPa |
| 时间t/h | 18496.2 |
| 应变ε/% | 1.170 |
表3 P92钢的材料系数a j ~d j
| θ参数 | 序号j | a j | b j (×10-4) | c j (×10-2) | d j (×10-6) |
| θ 1 | 1 | -2.528 | 5.393 | -2.783 | 33.764 |
| θ 2 | 2 | 0.818 | -84.057 | -24.424 | 311.988 |
| θ 3 | 3 | -18.701 | 141.006 | 2.821 | -8.606 |
| θ 4 | 4 | -41.274 | 383.354 | 3.201 | -1.119 |
本发明具有以下优点和积极效果：
①本发明针对传统的θ参数法在预测T/P92钢蠕变曲线时存在的第三阶段的应变预测值与实测值的偏离程度较大的现状，修正了参数θ 4 的计算方法，有效的提高了θ参数法预测蠕变曲线第三阶段的准确性；
②本发明可大大降低θ参数法预测T/P92钢蠕变断裂时间的过估倾向，采用传统的θ参数法预测P92钢在650℃和65MPa条件下的蠕变断裂时间，预测值会与实测值的相对误差为18%，而用本发明方法可降低到2%；
③本发明可将高温蠕变试验时间缩短一半以上，大大降低了试验成本，而且其过程简单易行；
④本发明可应用于存在同样问题的其他材料。
Claims (1)
1.一种评估T/P92钢的蠕变性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：①确定T/P92钢试样的待评估目标是处于温度T和应力σ状态下的蠕变性能，根据GB/T2039—1977标准，在温度T和应力σ试验条件下对T/P92钢试样实施高温蠕变试验，试验时间持续到蠕变试验出现最低蠕变速率停止，记录该试验时间t和对应的应变ε；②在550~750℃范围内选取两个以上温度T h ，h=1,2…，在大于应力σ且小于300MPa的范围内选取三个以上应力σ k ，k=1,2,3…，由所选取的温度T h 和应力σ k 构成六组以上不同的试验条件（T h ，σ k ），根据GB/T2039—1977标准，在这些试验条件（T h ，σ k ）下对T/P92钢试样实施高温蠕变试验直至试样断裂，分别获得各组试验条件下的试验时间t i,hk 和对应的应变ε i,hk ，下标i表示记录试验时间点的序号，每组试验至少要记录8个时间点，下标h和k分别表示试验温度T h 和应力σ k 的序号，即t i,hk 表示在温度T h 和应力σ k 条件下进行高温蠕变试验记录的第i个时间；③利用θ参数法公式 
对试验条件（T h ，σ k ）下的ε i,hk 和t i,hk 数据进行最小二乘法拟合求出每一组试验条件下的待定参数θ j,hk ，参数θ j,hk 是描述蠕变曲线各个变形阶段特征的参数，下标j为参数θ j,hk 的序号，分别等于1~4；利用θ参数法公式
对各组试验温度T h 和应力σ k 数据及其对应的参数θ j,hk 进行最小二乘法拟合求出与第j个参数θ j,hk 对应的待定材料系数a j ，b j ，c j 和d j ，下标j表示该材料系数对应第j个参数θ j,hk ；④利用公式
在j=1~3时代入a j ~d j 及温度T和应力σ计算得到待定参数θ 1 ~θ 3 ，然后将θ 1 ~θ 3 的值及步骤①中的应变ε和时间t数据代入公式
计算出θ 4 的值，上述θ 1 ~θ 4 表示在温度T和应力σ试验条件下的参数θj；⑤根据步骤④的θ 1 ~θ 4 计算结果获得在温度T和应力σ试验条件下的蠕变曲线方程，式中ε'为预测应变，t为时间，在坐标图上利用该方程绘制出应变—时间曲线，用该应变—时间曲线评估T/P92钢试样在温度T和应力σ试验条件下的蠕变性能。
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