CN113075053A - 一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法及系统 - Google Patents

一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法及系统，设计合理，实施方便，检测快速高效，能够满足现在的测试需求。其包括，根据预先建立的热暴露温度、时间、Ni3Al相平均直径及抗拉强度的本征关系，选择与目标试样具有相同Ni3Al相平均直径的替代试样，开展室温或高温拉伸试验，获得的替代试样的抗拉强度作为目标试样的抗拉强度，实现对长期热暴露态抗拉强度的快速预测；其中，目标试样为在较低温度下长期热暴露的试样，替代试样的热暴露温度比目标试样的温度高，热暴露的时间短。

Description

一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方 法及系统
技术领域
本发明涉及金属材料热处理及力学性能技术领域，具体为一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法及系统。
背景技术
抗拉强度是金属由均匀塑性形变向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。由于抗拉强度代表实际机件在静拉伸条件下的最大承载能力，且易于测定，重现性好，所以是工程上金属材料的重要力学性能标志之一，广泛用作产品规格说明或质量控制指标。对于电站用金属材料而言，长期热暴露后的抗拉强度在很大程度上可以用于表征材料力学性能及组织的稳定性。
众所周知，获得某温度、长期热暴露条件下抗拉强度最直接有效的方式是在该温度下，对合金试样进行上述时间条件下的热暴露实验，然后按照相关标准制备样品并开展拉伸性能测试。虽然热暴露实验及拉伸实验本身并不复杂，但受时间限制，需要经过很长一段时间后才能获取相关性能，这极大的增加了新材料开发的时间成本。目前对经长期热暴露后试样抗拉强度的测定均依靠大量的长时间试验，这在很大程度上延长了材料开发的周期。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法及系统，设计合理，实施方便，检测快速高效，能够满足现在的测试需求。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法，包括，
根据预先建立的热暴露温度、时间、Ni3Al相平均直径及抗拉强度的本征关系，选择与目标试样具有相同Ni3Al相平均直径的替代试样，开展室温或高温拉伸试验，获得的替代试样的抗拉强度作为目标试样的抗拉强度，实现对长期热暴露态抗拉强度的快速预测；
其中，目标试样为在较低温度下长期热暴露的试样，替代试样的热暴露温度比目标试样的温度高，热暴露的时间短。
优选的，预先建立的热暴露温度、时间、Ni3Al相平均直径及抗拉强度的本征关系的步骤如下，
步骤1，在700℃及以上且低于Ni3Al相析出温度50℃的温度范围内，对合金试样开展长期热暴露试验，待合金试验结束后空冷至室温取出，得到热暴露态合金试样；
步骤2，对热暴露态合金试样中Ni3Al相进行扫描或透射电镜拍照，测量并统计Ni3Al相平均直径；
步骤3，利用拉森-米勒方法，建立热暴露时间t、温度T及Ni3Al相平均直径
Figure BDA0003001993100000021
三者之间的关联模型；
步骤4，根据关联模型计算不同热暴露温度条件下，获得相同的Ni3Al相平均直径
Figure BDA0003001993100000022
值时需要的热暴露时间；其中，较高温度的替代试样对应的时间较短，较低温度的目标试样对应的时间较长；得到热暴露温度、时间、Ni3Al相平均直径及抗拉强度的本征关系。
进一步，建立热暴露时间t、温度T及Ni3Al相平均直径
Figure BDA0003001993100000023
三者之间的关联模型如下，
Figure BDA0003001993100000024
式中，a0，a1，…，an为多项式系数，C为公式中的常数项，根据最小二乘法拟合获取；n小于等于3。
进一步，统计Ni3Al相平均直径时所用扫描或透射电镜照片数不少于5张，Ni3Al相颗粒数量不少于500个。
优选的，目标试样和替代试样的合金晶粒尺寸一致，其Ni3Al相数量为合金整体相数量的10％～25％。
优选的，替代试样和目标试样的热暴露温度差不小于50℃。
一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的系统，包括，
存储模块，用于存储预先建立的热暴露温度、时间、Ni3Al相平均直径及抗拉强度的本征关系；
选择模块，用于根据本征关系，选择与目标试样具有相同Ni3Al相平均直径的替代试样；
试验模块，用于开展室温或高温拉伸试验，获得的替代试样的抗拉强度作为目标试样的抗拉强度，完成对长期热暴露态抗拉强度的快速预测；
其中，目标试样为在较低温度下长期热暴露的试样，替代试样的热暴露温度比目标试样的温度高，热暴露的时间短。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明方法通过建立的热暴露温度、时间，材料主要强化相Ni3Al相平均直径
Figure BDA0003001993100000031
及抗拉强度的本征关系，仅需测试较高温度、较短时间热暴露试样拉伸性能，即可获得较低温度、较长时间热暴露试样对应的抗拉强度。利用该方法可大幅度缩短长期热暴露试验的时间，实现长时热暴露试样抗拉强度的快速、高效预测。
进一步的，本发明采用拉森-米勒方法建立热暴露温度、时间、Ni3Al相平均直径及抗拉强度的本征关系，通过将不同的热暴露温度和时间表示为一个互补的参数，并与合金主要强化相Ni3Al平均直径相关联。鉴于Ni3Al相是此类合金的主要强化相且在长期热暴露中的直径变化富有规律，因此可建立具有高拟合系数的关联模型，这一方面有利于将上述模型系统化，另一方面可大幅度提高模型预测的准确性。
进一步的，本发明对热暴露试验温度的限定，保证了在所测试温度范围内Ni3Al相不会因为测试温度过高回溶于基体；对晶粒尺寸的限定可排除晶粒度对抗拉强度的影响因素。上述限定进一步保证了所建立本征关系的精确度。
附图说明
图1为实施例1合金经820℃/72h热暴露实验后的Ni3Al相扫描照片。
图2为实施例1合金经700℃/10000h热暴露实验后的Ni3Al相扫描照片。
图3为实施例1合金热暴露时间t、温度T及Ni3Al相平均直径
Figure BDA0003001993100000041
三者之间的关联模式。
图4为实施例2及3合金热暴露时间t、温度T及Ni3Al相平均直径
Figure BDA0003001993100000042
三者之间的关联模式。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法及系统，包括以下步骤：
1)在700℃及以上且低于Ni3Al相析出温度50℃的温度范围内对合金试样开展长期热暴露试验，待试验结束后空冷至室温取出；对同样的合金试样在不同的热暴露温度和时间下分别进行长期热暴露试验，得到对应热暴露态合金试样；
2)分别拍摄上述热暴露态合金试样Ni3Al相扫描或透射电镜照片，测量并统计每个热暴露态合金试样中Ni3Al相平均直径
Figure BDA0003001993100000043
随后，利用拉森-米勒方法，建立热暴露时间t、温度T及Ni3Al相平均直径
Figure BDA0003001993100000044
三者之间的关联模式；
Figure BDA0003001993100000045
式中，a0，a1，…，an为多项式系数，C为公式中的常数项，根据最小二乘法拟合获取；n小于等于3；
3)利用2)中公式计算不同热暴露温度条件下，获得相同的
Figure BDA0003001993100000051
值时需要的热暴露时间；其中，较高温度对应的时间较短，较低温度对应的时间较长；
4)制备与较低温度、较长时间热暴露具有相同Ni3Al平均直径的较高温度、短时热暴露试样，根据GB/T 228-2010或GB/T 4338-2006开展室温或高温拉伸试验，获得的抗拉强度Rm1与较低温度、长时热暴露试样对应的抗拉强度Rm2相当，进而实现对长期热暴露态抗拉强度的快速预测。
其中，对于不同状态的合金晶粒尺寸是一致的，Ni3Al相数量为10％～25％；统计Ni3Al相平均直径时所用照片数不少于5张，Ni3Al相颗粒数量不少于500个；制备与较低温度、长时热暴露具有相同Ni3Al相平均直径的较高温度、短时热暴露试样时二者温度差不小于50℃。
本发明还提供一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的系统，与所述的方法对应，其包括，
存储模块，用于存储预先建立的热暴露温度、时间、Ni3Al相平均直径及抗拉强度的本征关系；
选择模块，用于根据本征关系，选择与目标试样具有相同Ni3Al相平均直径的替代试样；
试验模块，用于开展室温或高温拉伸试验，获得的替代试样的抗拉强度作为目标试样的抗拉强度，完成对长期热暴露态抗拉强度的快速预测；
其中，目标试样为在较低温度下长期热暴露的试样，替代试样的热暴露温度比目标试样的温度高，热暴露的时间短。
本发明通过建立的热暴露温度、时间、Ni3Al相平均直径及抗拉强度的本征关系理论模型，建立抗拉强度与合金微观组织特征参量的关联模型，从而实现长时热暴露态抗拉强度的快速预测，无论是在材料研发设计上，还是在学科理论建设上，都具有非常重要的意义。
实施例1
本实施所采用合金为一种Fe-Ni基合金，晶内主要强化相Ni3Al含量约为15％，析出温度约930℃。对该合金在700、750℃分别开展500、1000、3000、5000及10000h热暴露实验，在800℃开展500、1000、3000、5000h热暴露实验，建立热暴露时间t、温度T及Ni3Al相平均直径
Figure BDA0003001993100000061
三者之间的关联模式如图3所示。利用该公式计算发现当对合金在820℃进行72h热暴露试验后，其Ni3Al相扫描照片如图1所示，Ni3Al相的平均直径与经700℃/10000h长时热暴露实验后，其Ni3Al相扫描照片如图2所示，两者的Ni3Al相平均直径相当。据此，分别制备820℃/72h及700℃/10000h条件下的拉伸试样，对其700℃拉伸性能进行测试，结果表明820℃/72h试样对应的700℃抗拉强度为706MPa，700℃/10000h试样对应的700℃抗拉强度为713MPa，二者的相对误差约为1.0％，能够成功预测。
实施例2
本实施所采用合金为一种Fe-Ni基合金，晶内主要强化相Ni3Al含量约为20％，析出温度约950℃。对该合金在700、750℃分别开展1000、3000h热暴露实验，在820℃分别开展10、30、100h热暴露实验，建立热暴露时间t、温度T及Ni3Al相平均直径
Figure BDA0003001993100000062
三者之间的关联模式如图4所示。利用该公式计算发现当对合金在820℃进行46h热暴露试验后，Ni3Al相的平均直径与经750℃/1000h长时热暴露实验后的Ni3Al相的平均直径相当。据此，分别制备820℃/46h及750℃/1000h条件下的拉伸试样，对其700℃拉伸性能进行测试，结果表明820℃/46h试样对应的750℃抗拉强度为557MPa，750℃/1000h试样对应的750℃抗拉强度为530MPa，二者的相对误差约为5.1％，能够成功预测。
实施例3
本实施所采用合金为一种Fe-Ni基合金，晶内主要强化相Ni3Al含量约为20％，析出温度约950℃。对该合金在700、750℃分别开展1000、3000h热暴露实验，在820℃分别开展10、30、100h热暴露实验，建立热暴露时间t、温度T及Ni3Al相平均直径
Figure BDA0003001993100000071
三者之间的关联模式如图4所示。利用该公式计算发现当对合金在820℃进行16h热暴露试验后，Ni3Al相的平均直径与经700℃/100h长时热暴露实验后的Ni3Al相的平均直径相当。据此，分别制备820℃/16h及700℃/1000h条件下的拉伸试样，对其室温拉伸性能进行测试，结果表明820℃/16h试样对应的室温抗拉强度为1143MPa，700℃/1000h试样对应的室温抗拉强度为1207MPa，二者的相对误差约为5.3％，能够成功预测。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法或系统。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法和系统的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法，其特征在于，包括，
根据预先建立的热暴露温度、时间、Ni3Al相平均直径及抗拉强度的本征关系，选择与目标试样具有相同Ni3Al相平均直径的替代试样，开展室温或高温拉伸试验，获得的替代试样的抗拉强度作为目标试样的抗拉强度，实现对长期热暴露态抗拉强度的快速预测；
其中，目标试样为在较低温度下长期热暴露的试样，替代试样的热暴露温度比目标试样的温度高，热暴露的时间短。
2.根据权利要求1所述的一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法，其特征在于，预先建立的热暴露温度、时间、Ni3Al相平均直径及抗拉强度的本征关系的步骤如下，
步骤1，在700℃及以上且低于Ni3Al相析出温度50℃的温度范围内，对合金试样开展长期热暴露试验，待合金试验结束后空冷至室温取出，得到热暴露态合金试样；
步骤2，对热暴露态合金试样中Ni3Al相进行扫描或透射电镜拍照，测量并统计Ni3Al相平均直径；
步骤3，利用拉森-米勒方法，建立热暴露时间t、温度T及Ni3Al相平均直径
Figure FDA0003001993090000011
三者之间的关联模型；
步骤4，根据关联模型计算不同热暴露温度条件下，获得相同的Ni3Al相平均直径
Figure FDA0003001993090000012
值时需要的热暴露时间；其中，较高温度的替代试样对应的时间较短，较低温度的目标试样对应的时间较长；得到热暴露温度、时间、Ni3Al相平均直径及抗拉强度的本征关系。
3.根据权利要求2所述的一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法，其特征在于，建立热暴露时间t、温度T及Ni3Al相平均直径
Figure FDA0003001993090000013
三者之间的关联模型如下，
Figure FDA0003001993090000021
式中，a0，a1，…，an为多项式系数，C为公式中的常数项，根据最小二乘法拟合获取；n小于等于3。
4.根据权利要求2所述的一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法，其特征在于，统计Ni3Al相平均直径时所用扫描或透射电镜照片数不少于5张，Ni3Al相颗粒数量不少于500个。
5.根据权利要求1所述的一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法，其特征在于，目标试样和替代试样的合金晶粒尺寸一致，其Ni3Al相数量为合金整体相数量的10％～25％。
6.根据权利要求1所述的一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的方法，其特征在于，替代试样和目标试样的热暴露温度差不小于50℃。
7.一种快速预测Ni3Al强化型合金长期热暴露态抗拉强度的系统，其特征在于，包括，
存储模块，用于存储预先建立的热暴露温度、时间、Ni3Al相平均直径及抗拉强度的本征关系；
选择模块，用于根据本征关系，选择与目标试样具有相同Ni3Al相平均直径的替代试样；
试验模块，用于开展室温或高温拉伸试验，获得的替代试样的抗拉强度作为目标试样的抗拉强度，完成对长期热暴露态抗拉强度的快速预测；
其中，目标试样为在较低温度下长期热暴露的试样，替代试样的热暴露温度比目标试样的温度高，热暴露的时间短。
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