CN111914438A - 老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测公式和预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种老化态纯铝或铝合金先屈服强度的预测方法，在此之前，本申请首先提供了老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测公式以及该预测公式的获得方法。本申请提供的预测方法可以根据架空铝线或铝合金线的服役温度和服役时间快速预测铝线或铝合金线的屈服强度，实现了对架空铝线及铝合金线屈服强度的实时监控，便于在架空线承载能力低于实际附载时及时采取措施，从而降低了架空铝及铝合金线突然断线造成的损失。此外，本发明对其它退火态金属线材屈服强度预测具有指导和借鉴意义。

Description

老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测公式和预测方法

技术领域

本发明涉及铝及铝合金服役性能预测研究领域，尤其涉及一种老化态铝线或铝合金线屈服强度的预测公式和预测方法。

背景技术

电力是国民经济建设和人类社会活动的重要能量来源。我国主要电力生产企业大多分布中边疆地区，而重要的用电城市多数在东部沿海地区，因而很多电力资源需要进行长距离输送。架空导线是长距离输电线路最重要载体，是电力能源输送的“大动脉”。国家电网承担着保障电力供应的使命，为企业的生产活动源源不断地提供电力能源。

由于我国地域辽阔，不同区域的自然环境、地形地貌、水文条件具有一定的差异性，高压架空线路通常在山区、丘陵、高山等区域广泛应用。综合考虑性能和经济因素，铝及铝合金线是目前架空输电领域常用的导体材料。

架空导线通常需承受风吹载荷、覆冰载荷和自重载荷，所以强度是架空铝线重要的性能指标，与架空铝线的服役安全性密切相关。然而，受自然环境因素(山火、雷击)、人为因素(线路扩容)和材料自身性质(自身电阻)的影响，架空铝线的服役温度远高于室温，当温度升高至某一临界值时，会对铝线的微观组织结构造成不可逆的改变，导致架空铝线力学性能下降，增大断线失效的风险。

架空铝线在温度影响下力学性能衰退的现象被称为架空导线的老化现象。另外，随着热服役时间的延长和热服役温度的改变，架空铝线的强度时刻处于动态变化中，如果能够通过公式计算得到铝及铝合金线在不同服役温度和不同服役时间条件下的强度，那么会随时掌握架空铝线的强度数据，避免因为老化态铝线强度的下降导致导线失效。因此，老化态铝及铝合金线强度的预测具有非常重要的工程意义。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测方法，该方法具有较高的准确性。

有鉴于此，本申请提供了一种老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测公式，如式(Ⅰ)所示：

σ_T＝σ_i+(σ₀-σ_i)·e^-k·t (Ⅰ)；

式中，σ_T是服役温度为T、时间为t时工业纯铝线或铝合金线的屈服强度；

T是工业纯铝线或铝合金线的服役温度；

t是工业纯铝线或铝合金线的服役时间；

σ_i是服役温度为T时工业纯铝线或铝合金线的极限屈服强度；

σ₀是拉拔态工业纯铝线或铝合金线的屈服强度；

k为工业纯铝线或铝合金线在不同服役温度下的一系列老化速率。

优选的，所述k为0.2、1.0、1.1、1.2或2.0。

本申请还提供了所述的老化态纯铝或铝合金线屈服强度预测公式的获得方法，包括以下步骤：

A)测试拉拔态纯铝线或铝合金线的屈服强度σ₀；

B)测试退火温度T和时间t的纯铝线或铝合金线的屈服强度σ_T；

C)以步骤A)中所述屈服强度为基础，建立步骤B)中所述屈服强度σ_T与退火时间t的关系图，得到退火温度T时的极限屈服强度σ_i；

D)以所述关系图为依据，初步确定屈服强度σ_T与时间t的基本函数形式，进一步调整参数k，得到如式(Ⅰ)所示的老化态工业纯铝线或铝合金线的屈服强度预测公式。

优选的，所述拉拔态为冷拉拔态。

优选的，所述极限屈服强度为纯铝线或铝合金线在长时间退火温度为T时屈服强度达到稳定值时的屈服强度。

优选的，所述铝合金线为铝镁合金线。

优选的，除了150℃的退火温度外，其余退火温度下纯铝线和铝合金线的老化速率相同。

本申请还提供了一种老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测方法，包括以下步骤：

A)测试拉拔态纯铝线或拉拔态铝合金线的屈服强度σ₀；测试服役温度T下纯铝线或铝合金线的极限屈服强度σ_i；

B)确定纯铝线或铝合金线的服役温度T，从而选择相应的老化速率k；

C)确定纯铝线或铝合金线的服役时间t，将拉拔态屈服强度σ₀、极限屈服强度σ_i和老化速率k代入预测公式，得到老化态纯铝线或铝合金线的屈服强度σ_T；所述预测公式为权利要求1～2任一项所述的预测公式或权利要求3～7任一项所述的获得方法所获得的预测公式。

本申请提供了一种老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预防方法，该方法首先利用纯铝线或铝合金线的退火温度、时间来模拟纯铝线或铝合金线的服役温度，由此得到不同退火温度不同老化速率下的预测公式；在得到预测公式后，可以通过测得的拉拔态纯铝线或铝合金线屈服强度、服役温度下的极限屈服强度以及老化速率，预测该温度下不同退火时间纯铝线或铝合金线的屈服强度。本发明可以通过检测纯铝线或铝合金线的服役温度和时间预测铝线或铝合金线屈服强度，实现了对架空铝及铝合金线屈服强度的实时监控，便于在架空导线承载能力低于实际附载时及时采取措施，从而降低了架空铝线及铝合金线突然断线造成的损失。此外，本发明对其它退火态金属线材屈服强度预测具有指导和借鉴意义。

附图说明

图1为本发明不同退火温度下工业纯铝线屈服强度实测值和预测值对比结果图；

图2为本发明不同退火温度下铝镁硅合金线屈服强度实测值和预测值对比结果图；

图3为退火态工业纯铝线和铝镁硅合金线极限屈服强度与退火温度的关系图；

图4为退火态工业纯铝线和铝镁硅合金线老化速率与退火温度的关系图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

变形态金属在不同退火温度下各微观组织结构演化规律不同，如低温退火发生位错等缺陷回复、中高温退火则发生晶粒和析出相长大，且在一定的温度下晶粒尺寸和析出相尺寸都会有一个极限值，极限值的大小与温度高低密切相关，并且在温度一定的条件下，微观组织结构的演化随退火时间延长连续变化。微观组织结构与金属材料的屈服强度紧密相连，因此，金属材料的屈服强度随退火温度和保温时间的变化而连续变化，且在某一温度下达到该状态下屈服强度的平衡值。因此，本申请以退火时间、温度模拟服役温度、时间，即通过退火温度的预测公式作为服役温度的预测公式，根据该预测公式可知获知老化态铝线及铝合金线的屈服强度取决于服役温度和时间，老化态铝线及铝合金线屈服强度预测公式的参数应该与温度和时间相关。由此，本申请提供了一种老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测公式，如式(Ⅰ)所示：

σ_T＝σ_i+(σ₀-σ_i)·e^-k·t (Ⅰ)；

式中，σ_T是服役温度为T、时间为t时工业纯铝线或铝合金线的屈服强度；

T为工业纯铝线或铝合金线的服役温度；

t为工业纯铝线或铝合金线的服役时间；

σ_i是服役温度为T时工业纯铝线或铝合金线的极限屈服强度；

σ₀是拉拔态工业纯铝线或铝合金线的屈服强度；

k为工业纯铝线或铝合金线在不同服役温度下的一系列老化速率。

本申请提供了一种老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测公式，其中的k为工业纯铝线或铝合金线在不同服役温度下的一系列老化速率，即纯铝线或铝合金线在不同服役温度下对应的老化速率不同。

本申请还提供了所述的老化态纯铝或铝合金线屈服强度预测公式的获得方法，包括以下步骤：

A)测试拉拔态纯铝线或铝合金线的屈服强度σ₀；

B)测试退火温度T和时间t的纯铝线或铝合金线的屈服强度σ_T；

C)以步骤A)中所述屈服强度为基础，建立步骤B)中所述屈服强度σ_T与退火时间t的关系图，得到退火温度T时的极限屈服强度σ_i；

D)以所述关系图为依据，初步确定屈服强度σ_T与时间t的基本函数形式，进一步调整参数k，得到如式(Ⅰ)所示的老化态工业纯铝线或铝合金线的屈服强度预测公式。

本申请老化态工业纯铝线或铝合金线的屈服强度预测公式的获得是基于纯铝或铝合金在不同退火温度下组织和性能的差异，且退火温度下纯铝或铝合金线的性能类似于铝线或铝合金线服役温度下的性能(即退火温度等同于服役温度)。鉴于此，本申请首先测试拉拔态纯铝线或铝合金线的屈服强度，测试方法按照本领域技术人员熟知的方法进行即可，所述拉拔态为冷拉拔态。

按照本发明，然后测试拉拔态铝线或铝合金线进行不同温度不同时间下的屈服强度，即在T1温度下保温t11、t12、t13、t14等温度下的屈服强度，在T2温度下保温t21、t22、t23、t24等温度下的屈服强度，在T3温度下保温t31、t32、t33、t34等温度下的屈服强度；然后以上述屈服强度为基础，建立不同温度下退火状态下屈服强度和退火时间的关系曲线图。

本申请中所述极限屈服强度是指某一温度下长时间退火后屈服强度达到稳定值时的屈服强度，由此可以以上述关系曲线图为基础来确定铝线或铝合金线不同退火温度下的极限屈服强度；同时以关系图为基础，初步确定屈服强度和时间的基本函数形式，调整不同退火温度下工业铝线或铝合金线屈服强度下计算公式的参数，使之不同退火温度下不同退火时间下计算得到的屈服强度和实测数据相符，由此得到老化速率，最终得到老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测公式。

为了验证公式的准确性，本申请优选先确定了纯铝线屈服强度的预测公式，在将不同温度退火条件铝镁硅合金线退火时间数据带入相应温度下的老化态工业纯铝线屈服强度预测公式，通过计算获得老化态铝镁硅合金线理论屈服强度值，并与实际测试值进行对比，验证该公式的正确性。

在得到上述预测公式后，本申请则利用上述预测公式提供了老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测方法，包括以下步骤：

A)测试拉拔态铝线或拉拔态铝合金线的屈服强度σ₀；测试不同服役温度下铝线或铝合金线的极限屈服强度σ_i；

B)确定铝线或铝合金线的服役温度T，从而选择相应的老化系数k；

C)确定铝线或铝合金线的服役时间t，将拉拔态屈服强度σ₀、极限屈服强度σ_i和老化系数k代入预测公式，得到老化态纯铝线或铝合金线的屈服强度σ_T。

以预测公式为基础，本申请首先测试了拉拔态铝线或铝合金线的屈服强度，可同时测试不同服役温度下铝线或铝合金线的极限屈服强度。

根据实际情况来检测铝线或铝合金线的服役温度，从而根据服役温度即对应的退火温度，来选择相应的老化速率。

由此，可任意选择铝线或铝合金线的服役时间，最后上述将拉拔态屈服强度、极限屈服强度和老化速率带入预测公式，即得到老化态-服役温度铝线或铝合金线的屈服强度。

本发明主要建立了老化态工业纯线或铝镁硅合金线屈服强度预测方法，该方法可以通过测得的拉拔态铝线屈服强度以及不同退火温度下的稳定屈服强度，预测该温度下不同退火时间铝线的屈服强度。本发明可以通过检测铝及铝合金线的服役温度和时间预测铝及铝合金线屈服强度，实现了对架空铝及铝合金线屈服强度的实时监控，便于在架空导线承载能力低于实际附载时及时采取措施，从而降低了架空铝及铝合金线突然断线造成的损失。此外，本发明对其它退火态金属线材屈服强度预测具有指导和借鉴意义。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测公式、预测方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

本实施例采用的工业纯铝线和铝镁硅合金线成分如下：工业纯铝线成分(wt.％)：Si 0.11，Fe 0.25，Cu 0.01，Mn 0.03，Al余量；铝镁硅合金线的成分为(wt.％)：Si 0.51，Fe0.14，Mg 0.54，La 0.13，Ce 0.22，Cu 0.01，Mn 0.02，Cr 0.01，Zn 0.03，B 0.02，Al余量；

步骤1：测试拉拔态工业纯铝线和铝镁硅合金线的屈服强度；

步骤2：对工业纯铝线和铝镁硅合金线进行90℃、150℃、200℃、250℃和300℃保温1小时、2小时、4小时和8小时的退火处理，并测试不同退火条件下工业纯铝线和铝镁硅合金线的屈服强度；

步骤3：建立不同退火温度条件下工业纯铝线屈服强度与退火时间的关系图，获得不同温度退火条件下工业纯铝线的极限屈服强度值；

步骤4：确定退火态工业纯铝线屈服强度与退火时间关系的基本函数形式：

σ_T＝σ_i+(σ₀-σ_i)·e^-k·t (1)

式中T为工业纯铝线退火温度，t为退火时间，σ_T是温度为T、退火时间为t时工业纯铝线的屈服强度，σ_i是温度为T，长时间退火时工业纯铝线的极限屈服强度，σ₀是拉拔态工业纯铝线的屈服强度，k为工业纯铝线老化速率；

步骤5：将拉拔态工业纯铝线和退火8小时工业纯铝线的屈服强度代入到公式(1)，并调整不同退火温度下的k值，即工业纯铝线老化速率，使计算获得的退火态工业纯铝线屈服强度与实测的屈服强度相吻合，进而获得不同退火温度下老化速率为k的工业纯铝线屈服强度预测公式；

步骤6：将拉拔态铝镁硅合金线屈服强度和退火8小时铝镁硅合金线的屈服强度代入到不同退火温度下工业纯铝线屈服强度预测公式中，并与实测的铝镁硅合金线屈服强度进行对比，从而验证该公式的适用性，实测结果和理论计算结果整理于图2；

步骤7：将退火态工业纯铝线和退火态铝镁硅合金线屈服强度预测公式的参数进行对比，并整理于表1，得出影响退火态工业纯铝线和退火态铝镁硅合金线屈服强度预测公式参数的因素，建立工业纯铝线和铝镁硅合金线极限屈服强度和老化速率与温度的关系(图3和图4)。

表1不同退火温度下工业纯铝线和铝镁硅合金线屈服强度预测公式中极限屈服强度(σ_i)和老化速率(k)结果

本实施例老化态工业纯铝线及铝镁硅合金线屈服强度预测公式参数说明如下：

1)如图1和图2所示，老化态工业纯铝线和铝镁硅合金线屈服强度预测曲线与实测值符合较好，表明本发明公式可以较为准确地用于预测不同服役温度下铝及铝合金线的屈服强度；

2)由图3可知，工业纯铝线极限屈服强度在退火温度达到150℃开始下降，而铝镁硅合金线极限屈服强度则在退火温度达到200℃开始下降，这主要是因为铝镁硅合金线在150℃的时候发生了析出相的析出和长大，从某种程度上抵消了晶粒回复带来的强度下降，导致铝镁硅合金线在150℃条件下退火的屈服强度与拉拔态铝镁硅合金线屈服强度相差不大；

3)如图4所示，除了150℃退火条件下，其余退火温度条件下工业纯铝线和铝镁硅合金线的老化速率均相同，因此，除了150℃退火，本发明公式可适用于预测其余退火温度下工业纯铝线和铝镁硅合金线的屈服强度，并且，退火温度越高，老化速率越大，铝及铝合金线达到极限屈服强度的退火时间越短。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测公式，如式(Ⅰ)所示：

σ_T＝σ_i+(σ₀-σ_i)·e^-k·t (Ⅰ)；

式中，σ_T是服役温度为T、时间为t时工业纯铝线或铝合金线的屈服强度；

T是工业纯铝线或铝合金线的服役温度；

t是工业纯铝线或铝合金线的服役时间；

σ_i是服役温度为T时工业纯铝线或铝合金线的极限屈服强度；

σ₀是拉拔态工业纯铝线或铝合金线的屈服强度；

k为工业纯铝线或铝合金线在不同服役温度下的一系列老化速率。

2.根据权利要求1所述的预测公式，其特征在于，所述k为0.2、1.0、1.1、1.2或2.0。

3.权利要求1所述的老化态纯铝或铝合金线屈服强度预测公式的获得方法，包括以下步骤：

A)测试拉拔态纯铝线或铝合金线的屈服强度σ₀；

B)测试退火温度T和时间t的纯铝线或铝合金线的屈服强度σ_T；

C)以步骤A)中所述屈服强度为基础，建立步骤B)中所述屈服强度σ_T与退火时间t的关系图，得到退火温度T时的极限屈服强度σ_i；

D)以所述关系图为依据，初步确定屈服强度σ_T与时间t的基本函数形式，进一步调整参数k，得到如式(Ⅰ)所示的老化态工业纯铝线或铝合金线的屈服强度预测公式。

4.根据权利要求3所述的获得方法，其特征在于，所述拉拔态为冷拉拔态。

5.根据权利要求3所述的获得方法，其特征在于，所述极限屈服强度为纯铝线或铝合金线在长时间退火温度为T时屈服强度达到稳定值时的屈服强度。

6.根据权利要求3所述的获得方法，其特征在于，所述铝合金线为铝镁合金线。

7.根据权利要求6所述的获得方法，其特征在于，除了150℃的退火温度外，其余退火温度下纯铝线和铝合金线的老化速率相同。

8.一种老化态纯铝线或铝合金线屈服强度的预测方法，包括以下步骤：

A)测试拉拔态纯铝线或拉拔态铝合金线的屈服强度σ₀；测试服役温度T下纯铝线或铝合金线的极限屈服强度σ_i；

B)确定纯铝线或铝合金线的服役温度T，从而选择相应的老化速率k；

C)确定纯铝线或铝合金线的服役时间t，将拉拔态屈服强度σ₀、极限屈服强度σ_i和老化速率k代入预测公式，得到老化态纯铝线或铝合金线的屈服强度σ_T；所述预测公式为权利要求1～2任一项所述的预测公式或权利要求3～7任一项所述的获得方法所获得的预测公式。

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