CN106568655A - 一种预测耐热合金蠕变寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种预测耐热合金蠕变寿命的方法，其中包括建立在Arrhenius定律基础上的蠕变寿命预测模型。通过该模型拟合预测温度下不同应力的拉伸蠕变寿命数据，确定模型参数值，得到预测温度下蠕变寿命与应力的关系式，通过该关系式进行蠕变寿命预测。由于所建模型同时考虑了合金材料的高温强度对蠕变性能的作用以及应力对蠕变变形机制的影响因素，因此更加符合实际，从而显著提高了蠕变寿命预测精度。对多种材料蠕变寿命预测试验结果表明：试验条件下，本发明提供的蠕变寿命预测方法与Arrhenius定律以及拉森‑米勒法相比，预测误差降低1个数量级。

Description

一种预测耐热合金蠕变寿命的方法

技术领域

本发明属于金属材料高温力学性能研究领域，涉及一种预测耐热合金蠕变寿命的方法。

背景技术

蠕变寿命是耐热合金的重要性能之一，准确预测耐热合金的蠕变寿命是确保安全生产，提高生产效率的关键。Arrhenius定律关于蠕变寿命与应力关系的方程为：

t_r＝k₀exp(k₁σ) (1)

式中：t_r为蠕变寿命；k₀、k₁为材料常数；σ为应力。该定律公式结构简单，参数少，但适用范围比较有限。

目前，应用最广泛的蠕变寿命预测方法是以拉森-米勒法为代表的时间-温度参数法。该方法通过Larson-Miller参数将蠕变温度、应力、时间联系在一起构成拉森-米勒参数方程：

LMP＝T(C+logt_r) (2)

LMP＝c₁+c₂logσ+c₃log²σ+c₄log³σ (3)

其中，LMP为Larson-Miller参数，T为蠕变温度，C、c₁、c₂、c₃、c₄为材料常数，σ为应力。该方程具有很好的综合性，但公式(3)参数多，结构复杂，应用时需要较多的试验数据，该方法用于不超过3倍于试验蠕变寿命范围内的预测。

θ影射法诞生以来受到极大的关注，近年来人们建立了各种形式的修正θ方程，在表达蠕变曲线方面取得了较好的效果，但θ方程参数对蠕变的变形过程非常敏感，与应力以及温度的关系比较分散，因此，用θ影射法预测蠕变寿命同样需要大量的试验数据。

西安交通大学赵钦新等申请的专利“一种电站锅炉耐热材料蠕变寿命预测方法”申请号为200710308160，主要是基于受约束蠕变空洞生长模型提出蠕变空洞非均匀成核模型，该方法将显微分析与计算相结合，求出耐热钢高温蠕变过程中的临界空洞半径及实际生长的空洞半径，由此预测蠕变寿命，取得了良好的效果。其本质是基于材料内部组织的一种蠕变寿命预测方法。但事实上，材料的蠕变失效不仅仅取决于内部组织变化，表面氧化，腐蚀以及由此引起的表层合金元素贫化往往是材料的蠕变失效的重要因素。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种新的蠕变寿命预测方法，其中包括创建蠕变寿命预测模型，目的是通过较少的蠕变试验数据更简捷，更精确地预测耐热合金的蠕变寿命。

技术方案：

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种预测耐热合金蠕变寿命的方法，该方法中，首先，在Arrhenius定律关于蠕变寿命与应力关系方程的基础上，考虑高温强度对蠕变性能的有益作用以及应力对材料的蠕变机制的影响，建立蠕变寿命与应力关系的修正方程，即蠕变寿命预测模型；通过该模型采用最小二乘法对一定温度、不同应力下的蠕变寿命数据进行拟合，确定模型参数值，得到蠕变寿命与应力的关系式；通过该关系式求出特定应力下的预测蠕变寿命。

具体步骤如下：

(1)创建合金蠕变寿命预测模型

Arrhenius定律关于蠕变寿命与应力关系的方程为：

t_r＝k₀exp(k₁σ) (1)

式中：t_r为蠕变寿命；k₀、k₁为材料常数；σ为应力。

以σ_b-σ代替(1)式中的σ得：

t_r＝δ₁exp[δ₂(σ_b-σ)] (2)

式中：δ₁、δ₂为材料常数；σ_b为蠕变温度下的抗拉强度；σ为应力。

为提高模型精度，在(2)式右侧增加作为修正项，其中：δ₃、δ₄为材料常数，由此得到蠕变寿命与应力关系的修正方程，即蠕变寿命预测模型：

式中：t_r为蠕变寿命；δ_i(i＝1，2，3，4)为材料常数，即参数；σ_b为蠕变温度下的抗拉强度；σ为应力。

(2)根据《GB/T4338-2006金属材料高温拉伸试验方法》，在预测蠕变温度下，测定合金的抗拉强度σ_b；

(3)根据《GB/T2039-2012金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》，在预测蠕变温度下，测定不同应力σ_j(j＝1，2，3，4……)下的拉伸蠕变寿命t_rj(j＝1，2，3，4……)；要求不少于3组蠕变试验数据；

(4)通过蠕变寿命预测模型采用最小二乘法对由步骤(3)得到的蠕变试验数据(σ_j，t_rj)(j＝1，2，3，4……)进行拟合，确定参数δ_i(i＝1，2，3，4)值；

(5)将参数δ_i(i＝1，2，3，4)值代入蠕变寿命预测模型，得到预测蠕变温度下蠕变寿命与应力的关系式，通过该关系式求出特定应力下的预测蠕变寿命；

本方法适合用于各种耐热钢、耐热合金、高温合金、钛合金、镁合金以及铝合金等金属材料蠕变寿命的预测。

优点效果：

本发明提供一种预测耐热合金蠕变寿命的方法，具体优点和效果如下：

(1)本发明创建的蠕变寿命预测模型主要特点是：同时考虑了材料的高温强度对蠕变性能的有益作用以及应力对蠕变变形机制的影响，因此更加符合实际。

(2)本发明提供的耐热合金蠕变寿命预测方法具有简捷，高效，误差率低等优势，在一定范围内只需通过三组蠕变试验数据即可实现有效的蠕变寿命预测，是一种实用的蠕变寿命预测方法。

(3)本预测方法可用于各种金属材料的蠕变寿命预测。

附图说明：

图1是实施例1中采用本模型对403Nb钢600℃、不同应力蠕变寿命的拟合曲线。

图2是实施例2中采用本模型对HP40合金900℃、不同应力蠕变寿命的拟合曲线。

具体实施方式：

一种预测耐热合金蠕变寿命的方法是通过新建的蠕变寿命预测模型对一定温度、不同应力下的蠕变寿命数据进行拟合，确定模型参数值，得到蠕变寿命与应力的关系式；通过该关系式求出特定应力下的预测蠕变寿命。步骤如下：

(1)创建合金蠕变寿命预测模型

Arrhenius定律关于蠕变寿命与应力关系的方程为：

t_r＝k₀exp(k₁σ) (1)

式中：t_r为蠕变寿命；k₀、k₁为材料常数；σ为应力。

考虑合金高温强度对蠕变性能的有益作用，以σ_b-σ代替(1)式中的σ得：

t_r＝δ₁exp[δ₂(σ_b-σ)] (2)

式中：δ₁、δ₂为材料常数；σ_b为蠕变温度下的抗拉强度；σ为应力。

由于应力对蠕变机制有影响，为提高模型精度，在(2)式右侧增加作为修正项，其中：δ₃、δ₄为材料常数，由此得到蠕变寿命与应力关系的修正方程，即蠕变寿命预测模型：

式中：t_r为蠕变寿命；δ_i(i＝1，2，3，4)为材料常数，即参数；σ_b为蠕变温度下的抗拉强度；σ为应力。

(2)根据《GB/T4338-2006金属材料高温拉伸试验方法》，在预测蠕变温度下，测定合金的抗拉强度σ_b；

(3)根据《GB/T2039-2012金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》，在预测蠕变温度下，测定不同应力σ_j(j＝1，2，3，4……)下的拉伸蠕变寿命t_rj(j＝1，2，3，4……)；要求不少于3组蠕变试验数据；

(4)通过蠕变寿命预测模型采用最小二乘法对由步骤(3)得到的蠕变试验数据(σ_j，t_rj)(j＝1，2，3，4……)进行拟合，确定参数δ_i(i＝1，2，3，4)值；

(5)将参数δ_i(i＝1，2，3，4)值代入蠕变寿命预测模型，得到预测蠕变温度下蠕变寿命与应力的关系式，通过该关系式求出特定应力下的预测蠕变寿命；

本预测耐热合金蠕变寿命的方法可用于各种耐热钢、耐热合金、高温合金、钛合金、镁合金以及铝合金等金属材料蠕变寿命的预测。

实施例：

实施例1

本实施例为403Nb钢在600℃、180MPa下蠕变寿命的预测方法。步骤如下：

首先根据《GB/T4338-2006金属材料高温拉伸试验方法》，采用截面为2.5mm×4.5mm，标距长度为14mm的片状“工”形试样，测定403Nb钢600℃抗拉强度σ_b为640MPa；再根据《GB/T2039-2012金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》采用单头试验机，试样规格同上，测定403Nb钢600℃，240MPa、250MPa、260MPa、270MPa应力下的拉伸蠕变寿命，分别为：240h、211h、190h、170h；通过蠕变寿命的预测模型采用最小二乘法对以上蠕变试验数据进行拟合，确定参数δ_i(i＝1，2，3，4)值为：0.0030，0.0260，0.0291，1.4170；式中：t_r为蠕变寿命，σ为应力。平均拟合误差为0.021％。如图1所示为403Nb钢600℃、不同应力蠕变寿命的拟合曲线。由图可知，由该模型得到的拟合曲线基本通过了所有蠕变试验数据点。将上述参数值代入蠕变寿命预测模型，得到600℃下蠕变寿命与应力的关系式：t_r＝0.003exp[0.026(640-σ)]+0.0291(640-σ)^1.417；根据该公式求出600℃、180MPa下的预测蠕变寿命为641h。该结果与实测蠕变寿命628h相比误差仅为1.27％。

如表1所示为采用本方法与采用Arrhenius定律及拉森-米勒法对403Nb钢600℃蠕变试验数据的拟合情况，以及600℃、180MPa蠕变寿命的预测结果对比，可见采用本模型拟合蠕变试验数据的误差仅为Arrhenius定律及拉森-米勒法的2.5％和4.1％，而预测蠕变寿命误差分别仅为后两者的6.0％和10.6％。

表1不同方法拟合403Nb钢600℃蠕变数据及预测600℃/180MPa下蠕变寿命结果对比

实施例2

本实施例为HP40合金在900℃、35MPa下蠕变寿命的预测方法。步骤如下：

首先根据《GB/T4338-2006金属材料高温拉伸试验方法》，采用截面为2.5mm×4.5mm，标距长度为14mm的片状“工”形试样，测试HP40合金在900℃拉伸断裂强度σ_b为200MPa；根据《GB/T2039-2012金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》采用单头试验机，试样规格同上，测定合金在900℃，40MPa、45MPa、50MPa应力下的拉伸蠕变寿命分别为：362h、177h、89h；通过蠕变寿命的预测模型采用最小二乘法对以上蠕变试验数据进行拟合，确定参数δ_i(i＝1，2，3，4)值为：5.9255e-004、0.0854、-0.0183、1.7774；如图2所示为HP40合金900℃、不同应力蠕变寿命的拟合曲线。由图可知，由该模型得到的拟合曲线基本通过了所有蠕变试验数据点。将上述参数值代入蠕变寿命预测模型，得到900℃下蠕变寿命t_r与蠕变应力σ的关系式：t_r＝5.9255e-0.0854exp[0.0511(200-σ)]-0.0183e-004(200-σ)^1.7774。根据该公式求出900℃、35MPa下的预测蠕变寿命为620.6h。实测蠕变寿命为629h，预测误差仅为1.33％。

如表2所示为采用本蠕变寿命预测方法与采用Arrhenius定律及拉森-米勒法预测HP40合金900℃、35MPa下的蠕变寿命结果对比。可见，采用本方法预测蠕变寿命误差分别为Arrhenius定律及拉森-米勒法的8.1％和4.78％。

表2不同方法预测HP40合金900℃/35MPa蠕变寿命结果对比

	本方法	Arrhenius定律	拉森-米勒法	实际蠕变寿命
					预测蠕变寿命/h	620.6	733	804	629
预测误差/％	1.33	16.5	27.8

Claims (3)

1.一种预测耐热合金蠕变寿命的方法，其特征在于：该方法首先，在Arrhenius定律关于蠕变寿命与应力关系方程的基础上，考虑高温强度对蠕变性能的有益作用以及应力对材料的蠕变机制的影响，建立蠕变寿命与应力关系的修正方程，即蠕变寿命预测模型；通过该模型采用最小二乘法对一定温度、不同应力下的蠕变寿命数据进行拟合，确定模型参数值，得到蠕变寿命与应力的关系式；通过该关系式求出特定应力下的预测蠕变寿命。

2.根据权利要求1所述的一种预测耐热合金蠕变寿命的方法，其特征在于：具体步骤为：

(1)创建合金蠕变寿命预测模型：

Arrhenius定律关于蠕变寿命与应力关系的方程为：

t_r＝k₀exp(k₁σ) (1)

式中：t_r为蠕变寿命；k₀、k₁为材料常数；σ为应力；

以σ_b-σ代替(1)式中的σ得：

t_r＝δ₁exp[δ₂(σ_b-σ)] (2)

式中：δ₁、δ₂为材料常数；σ_b为蠕变温度下的抗拉强度；σ为应力；

为提高模型精度，在(2)式右侧增加作为修正项，其中：δ₃、δ₄为材料常数，由此得到蠕变寿命与应力关系的修正方程，即蠕变寿命预测模型：

$t_r={\mathrm{\δ}}_1\exp \[{\mathrm{\δ}}_2({\mathrm{\σ}}_b-\mathrm{\σ})\]+{\mathrm{\δ}}_3{({\mathrm{\σ}}_b-\mathrm{\σ})}^{{\mathrm{\δ}}_4}---\left(3\right)$

式中：t_r为蠕变寿命；δ_i(i＝1，2，3，4)为材料常数，即参数；σ_b为蠕变温度下的抗拉强度；σ为应力；

(2)根据《GB/T4338-2006金属材料高温拉伸试验方法》，在预测蠕变温度下，测定合金的抗拉强度σ_b；

(3)根据《GB/T2039-2012金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》，在预测蠕变温度下，测定不同应力σ_j(j＝1，2，3，4……)下的拉伸蠕变寿命t_rj(j＝1，2，3，4……)；要求不少于3组蠕变试验数据；

(4)通过蠕变寿命预测模型采用最小二乘法对由步骤(3)得到的蠕变试验数据(σ_j，t_rj)(j＝1，2，3，4……)进行拟合，确定参数δ_i(i＝1，2，3，4)值；

(5)将参数δ_i(i＝1，2，3，4)值代入蠕变寿命预测模型，得到预测蠕变温度下蠕变寿命与应力的关系式，通过该关系式求出特定应力下的预测蠕变寿命。

3.根据权利要求2所述的一种预测耐热合金蠕变寿命的方法，其特征在于：本方法适合用于各种耐热钢、耐热合金、高温合金、钛合金、镁合金以及铝合金等金属材料蠕变寿命的预测。