CN114088517B - 一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于材料蠕变寿命试验的加速条件合理性评估方法，所述方法包括：记录试样的实验条件与数据、抽样并计算指定温度下不同应力范围的蠕变激活体积和指定应力条件下不同温度范围的蠕变激活能、汇总数据、检验是否符合正态分布、检验是否存在离群值、判断实验条件是否合理。基于本方法可以较为准确地确定材料蠕变寿命试验条件的上限。并且，本方法从材料蠕变机理的角度评估了加速实验条件下材料蠕变机理的一致性。同时，可以更为灵活地验证加速试验方案的合理性，满足了不同设计指标下材料的评估要求。

Description

一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法
技术领域
本发明涉及材料加速寿命试验技术领域，具体涉及一种用于材料蠕变寿命试验的加速条件合理性评估方法。
背景技术
加速寿命试验通常是指在进行合理工程及统计假设的基础上，利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转换，得到试件在额定应力水平下可靠性特征的可复现数值估计的一种试验方法。为了能够在尽可能短的实验时间内完成材料的蠕变寿命评估，蠕变寿命加速试验的基本思想是利用高温、高应力下材料的蠕变行为特征去外推正常工作环境下的蠕变性能及寿命。加速试验条件的选择是判断蠕变寿命加速试验合理性的关键，同时也是决定材料蠕变性能及寿命外推准确性的基础。针对不同的材料及服役条件，如何评估蠕变寿命加速试验条件的合理性是材料长期性能研究、部件可靠性评估是领域内的难点问题之一。
目前常用的材料蠕变试验及性能评估方法诸如我国颁布的HB/T 5151-1996“金属高温拉伸蠕变实验方法”和GB/T 2039-2012“金属材料单轴拉伸蠕变试验方法”等在数据外推部分仅关注外推时间与实际试验时间的比值上限，并要求试验人员充分考虑材料在所预测的温度、应力和时间作用下的微结构变化。以上的蠕变试验及性能评估方法并未涉及如何确定蠕变寿命加速试验的实验条件(温度、应力)。欧洲蠕变协作委员会(ECCC)颁布的蠕变断裂数据评价方法(CRDA)虽然采用等温线变化、数据拟合度、删除数据重新评估等方法考量应力区域的可外推性，但大多数考核指标的确定依据试验人员的经验而缺少理论依据，同时并未考虑温度设置对试验方案合理性的影响。过度提高加速试验条件可能导致材料蠕变变形及失效机理发生改变，所得到的外推结果无法满足高置信度下结构材料的蠕变评估要求。因此建立一种更为科学的蠕变寿命加速试验条件合理性的评估方法对于材料加速寿命研究、机械装备可靠性评估均具有重要的理论意义及应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中蠕变寿命加速试验条件的合理性的评判存在的技术缺陷，而提供一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法，包括以下步骤:
步骤1，依照标准方法对试样进行蠕变实验，实验完成后，记录试样的实验条件及稳态蠕变速率，所述实验条件包括温度条件和应力条件；
步骤2，选取相同温度条件下的蠕变数据，根据设定的最少应力水平数(应力水平数为每个蠕变数据子组中所选取的应力水平的个数)，按照实验应力从小到大的顺序划分蠕变数据子组，在每个蠕变数据子组中，逐步增加实验应力水平，获得预定温度下用于应力评估的蠕变数据组，将该蠕变数据组代入蠕变激活体积表达式中，拟合确定不同应力范围内材料的蠕变激活体积VmT；
步骤3，选取相同应力条件下的蠕变数据，根据设定的最少温度水平数(温度水平数为每个蠕变数据子组中所选取的温度水平的个数)，按照实验温度从小到大的顺序划分蠕变数据子组，在每个蠕变数据子组中，逐步增加实验温度水平，获得预定应力下用于温度评估的蠕变数据组，将该蠕变数据组代入蠕变激活能表达式中，拟合确定不同温度范围内材料的蠕变激活能Qnσ；
步骤4，将全部的蠕变数据代入步骤2的蠕变激活体积和步骤3的蠕变激活能的表达式中，拟合确定材料的蠕变激活能平均值蠕变激活体积平均值/>
步骤5，将不同温度条件下的Qnσ、汇总成Q组，将不同应力条件下的VmT、/>汇总成V组；
步骤6，在设定的置信度下，检验所述Q组和所述V组的统计分布规律，在满足正态分布规律的前提下，根据设定的显著性水平，查找Q组、V组中的离群值，若Q组、V组中均不存在离群值，则所述蠕变寿命的加速条件是合理的，若Q组或V组不满足正态分布规律或存在离群值，则所述蠕变寿命的加速条件是不合理的；
其中，m为不同应力范围的蠕变数据子组编号，T为实验温度，n为不同温度范围的蠕变数据子组编号，σ为实验应力。
在上述技术方案中，所述步骤6中，若蠕变寿命的加速条件是不合理的，则降低温度条件和/或应力条件的上限，重新按照步骤2～5更新Q组、V组，继续按照步骤6的方法进行评价。
在上述技术方案中，所述步骤1中的温度条件至少包括三个不同的温度。
在上述技术方案中，所述步骤1中的应力条件至少包括四个不同的应力。
在上述技术方案中，所述步骤2中最少应力水平数和步骤3中最少温度水平数均不低于2。
在上述技术方案中，所述步骤2中蠕变激活体积表达式为，
其中，为稳态蠕变速率；σ为实验应力；VmT为蠕变激活体积；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度。
在上述技术方案中，所述步骤3中蠕变激活能表达式为，
其中，Qnσ为蠕变激活能，R为摩尔气体常数，A、x、c均为材料状态常数，为稳态蠕变速率。
在上述技术方案中，所述步骤6中置信度的取值范围不低于0.90。
在上述技术方案中，所述步骤6中判定离群值的显著性水平的取值范围为0.01-0.05。
本发明的另一方面，本发明还包含一种材料蠕变寿命预测试验方法，包括以下步骤：
步骤s1，依照所述的评价方法评价加速条件；
步骤s2，依照所述加速条件进行蠕变试验，预测材料的蠕变寿命。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明基于蠕变变形机理的加速条件合理性评估方法，可以较为准确地确定材料蠕变寿命试验条件(应力、温度)的上限。
(2)本发明通过蠕变激活能和蠕变激活体积等两个蠕变变形特征量，从材料蠕变机理的角度评估了加速实验条件下材料蠕变机理的一致性。
(3)通过设置一定的置信度及显著性水平，本发明可以更为灵活地验证加速试验方案的合理性，满足了不同设计指标下材料的评估要求。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明实施例2使用的7系某高强铝合金稳态蠕变速率数据分布情况。
图3是本发明实施例2使用的7系某高强铝合金蠕变激活体积V组数据分布情况。
图4是本发明实施例2使用的7系某高强铝合金蠕变激活能Q组数据分布情况。
图5是本发明实施例3使用的316H不锈钢稳态蠕变速率数据分布情况。
图6是本发明实施例3使用的316H不锈钢蠕变激活体积V组数据分布情况。
图7是本发明实施例3使用的316H不锈钢蠕变激活能Q组数据分布情况。
具体实施方式
下面结合说明书附图及实施例对本发明用于材料蠕变寿命试验的加速条件合理性评估方法进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法，如图1所示，包括以下步骤:
步骤1，依照标准方法对试样进行蠕变实验，实验完成后，记录试样的实验条件及稳态蠕变速率，所述实验条件包括温度条件和应力条件；所述温度条件至少包括三个不同的温度，所述步骤1中的应力条件至少包括四个不同的应力；
步骤2，选取相同温度条件下的蠕变数据，根据设定的最少应力水平数，按照实验应力从小到大的顺序划分蠕变数据子组，在每个蠕变数据子组中，逐步增加实验应力水平，获得预定温度下用于应力评估的蠕变数据组，将该蠕变数据组代入蠕变激活体积表达式中，拟合确定不同应力范围内材料的蠕变激活体积VmT，所述最少应力水平数不低于2，所述蠕变激活体积表达式为，
其中，为稳态蠕变速率；σ为实验应力；VmT为蠕变激活体积；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；
步骤3，选取相同应力条件下的蠕变数据，根据设定的最少温度水平数，按照实验温度从小到大的顺序划分蠕变数据子组，在每个蠕变数据子组中，逐步增加实验温度水平，获得预定应力下用于温度评估的蠕变数据组，将该蠕变数据组代入蠕变激活能表达式中，拟合确定不同温度范围内材料的蠕变激活能Qnσ，所述最少温度水平数不低于2，所述蠕变激活能表达式为，
其中，Qnσ为蠕变激活能，R为摩尔气体常数，A、x、c均为材料状态常数，为稳态蠕变速率；
步骤4，将全部的蠕变数据代入步骤2的蠕变激活体积和步骤3的蠕变激活能的表达式中，拟合确定材料的蠕变激活能平均值蠕变激活体积平均值/>
步骤5，将不同温度条件下的Qnσ、汇总成Q组，将不同应力条件下的VmT、/>汇总成V组；
步骤6，在设定的置信度下，检验所述Q组和所述V组的统计分布规律，在满足正态分布规律的前提下，根据设定的显著性水平，查找Q组、V组中的离群值，若Q组、V组中均不存在离群值，则所述蠕变寿命的加速条件是合理的，若Q组或V组不满足正态分布规律或存在离群值，则所述蠕变寿命的加速条件是不合理的，所述步骤6中，若蠕变寿命的加速条件是不合理的，则降低温度条件和/或应力条件的上限，重新按照步骤2～5更新Q组、V组，继续按照上述的方法进行评价，所述置信度的取值范围不低于0.90，所述判定离群值的显著性水平的取值范围为0.01-0.05；
其中，m为不同应力范围的蠕变数据子组编号，T为实验温度，n为不同温度范围的蠕变数据子组编号，σ为实验应力。
本发明的另一方面，本发明还包含一种材料蠕变寿命预测试验方法，包括以下步骤：
步骤s1，依照如权利要求1-11中任一项所述的评价方法评价加速条件；
步骤s2，依照所述加速条件进行蠕变试验，预测材料的蠕变寿命。
实施例2
依据实施例1的方法，本实施例选取7系某高强铝合金预锻坯(T6态)作为研究对象，蠕变试样的取样方向为坯内径向(垂直于预锻坯的锻造方向)。试样尺寸参照GB/T2039-1997“金属拉伸蠕变及持久试验方法”。实验温度水平(温度条件)为3个，分别为40℃、60℃、80℃，实验应力水平(应力条件)为6个，分别为450MPa、500MPa、550MPa、580MPa、600MPa、620MPa。
步骤1，蠕变寿命加速实验完成后，记录试样的实验条件(温度、应力)及稳态蠕变速率，数据分布如图2所示，每个温度和应力条件下，做三组平行试验；
步骤2，最少应力水平数设置为3，分别选取40℃、60℃、80℃温度条件下的蠕变数据，在每个温度条件下，按照实验应力从小到大的顺序划分蠕变数据子组，随着温度条件的增加，逐步增加实验应力水平和应力水平数，应力水平数为每个蠕变数据子组中所选取的应力水平的个数，获得一定温度下用于应力评估的蠕变数据组。
其中40℃蠕变数据组的子组数量为3，具体的，3个子组包括40℃、500-580MPa；40℃、500-600MPa；40℃、500-620MPa，在40℃、500-580MPa这个子组中，应力水平数为3，分别包括500、550、580MPa三个应力水平，依次类推，在40℃、500-600MPa这个子组中，应力水平数为4，分别包括500、550、580、600MPa，在40℃、500-620MPa这个子组中，应力水平数为5，分别包括500、550、580、600、620MPa五个应力水平，
依次类推，在60℃蠕变数据组中，子组数量为4，具体的，4个子组包括60℃、450-550MPa；60℃、450-580MPa；60℃、450-600MPa；60℃、450-620MPa；在60℃、450-550MPa这个子组中，应力水平数为3，分别为450、500、550MPa三个应力水平，在60℃、450-580MPa这个子组中，应力水平数为4，分别为450、500、550、580MPa四个应力水平，依次类推60℃、450-600MPa这个子组中，应力水平数为5，60℃、450-620MPa这个子组中，应力水平数为6。
在80℃蠕变数据组中，子组数量为3，具体的，3个子组包括80℃、450-550MPa；80℃、450-580MPa；80℃、450-600MPa，3个子组中应力水平数分别为3、4、5。将以上蠕变数据组代入蠕变激活体积表达式中，确定不同应力范围内材料的蠕变激活体积
步骤3，最少温度水平数设置为2，分别选取相同应力条件下的蠕变数据，分别选取450MPa、500MPa、550MPa、580MPa、600MPa、620MPa应力条件下的蠕变数据，按照实验温度从小到大的顺序划分蠕变数据子组，逐步增加实验温度水平数，获得一定应力下用于温度评估的蠕变数据组，其中450MPa应力条件下(子组数量为1，具体的，450MPa、60-80℃，在此子组下，温度水平数为2，温度水平分别为60℃、80℃)、500MPa应力条件下，(子组数量为2，具体的，500MPa、40-60℃，在此子组下，温度水平数为2，分别为40、60℃；500MPa、40-80℃，在此子组下，温度水平数为3，分别为40、60、80℃)、550MPa(子组数量为2，具体的，550MPa，40-60℃；550MPa，40-80℃)、580MPa(子组数量为2，具体的，580MPa，40-60℃；580MPa，40-80℃)、600MPa(子组数量为2，具体的，600MPa，40-60℃，600MPa，40-80℃)、620MPa(子组数量为1，620MPa，40-60℃；温度水平数为2，温度水平分别为40℃、60℃)，蠕变数据组的子组数量分别为1、2、2、2、2、1，将以上蠕变数据组代入蠕变激活能表达式中，拟合确定不同温度范围内材料的蠕变激活能；
步骤4，将全部的蠕变数据代入蠕变激活体积和激活能的表达式中，拟合确定材料的蠕变激活能蠕变激活体积/>
步骤5，将不同温度下的Qnσ、汇总成Q组，将不同应力下的VmT、/>汇总成V组,计算数据结果如图3、图4所示；
步骤6，在置信度0.90的前提下，采用Ryan-Joiner检验法检验了Q组和V组数据的统计分布规律，结果显示Q组和V组数据的P值均大于0.1，以上两组均满足正态分布规律。设置显著性水平为0.01，采用Dixon双侧离群值检验法查找Q组、V组中的离群值。检验结果显示，Q组、V组中均不存在离群值。以上结果表明蠕变寿命加速条件设置合理。
实施例3
依据实施例1的方法，本实施例选取316H不锈钢板材作为研究对象，蠕变试样的取样方向为面内轧制方向。试样尺寸参照GB/T 2039-1997“金属拉伸蠕变及持久试验方法”。实验温度水平(温度条件)为3个，分别为500℃、550℃、600℃，实验应力水平(应力条件)为5个，分别为200MPa、250MPa、300MPa、350MPa、400MPa。
步骤1，蠕变寿命加速实验完成后，记录试样的实验条件(温度、应力)及稳态蠕变速率，数据分布如图5所示，每个温度和应力条件下，做三组平行试验；
步骤2，最少应力水平数设置为2，分别选取500℃、550℃、600℃温度条件下的蠕变数据，按照实验应力从小到大的顺序划分蠕变数据子组，逐步增加实验应力水平，获得一定温度下用于应力评估的蠕变数据组，其中500℃、550℃、600℃蠕变数据组的子组数量均为4组，具体的，500℃蠕变数据组包括500℃、200-250MPa(此子组下，应力水平数为2，分别为200、250MPa)；500℃、200-300MPa(此子组下，应力水平数为3，分别为200、250、300MPa)；500℃、200-350MPa(此子组下，应力水平数为4，分别为200、250、300、350MPa)；500℃、200-400MPa(此子组下，应力水平数为5，应力水平分别为200MPa、250MPa、300MPa、350MPa、400MPa)；550℃蠕变数据组包括550℃、200-250MPa；550℃、200-300MPa；550℃、200-350MPa；550℃、200-400MPa，应力水平数和应力水平与上述500℃相同；600℃蠕变数据组包括600℃、200-250MPa；600℃、200-300MPa；600℃、200-350MPa；600℃、200-400MPa，应力水平数和应力水平与上述500℃相同)，将以上蠕变数据组代入蠕变激活体积表达式中，确定不同应力范围内材料的蠕变激活体积；
步骤3，最少温度水平数设置为2，分别选取相同应力200MPa、250MPa、300MPa、350MPa、400MPa条件下的蠕变数据，按照实验温度从小到大的顺序划分蠕变数据子组，逐步增加实验温度水平数，获得一定应力下用于温度评估的蠕变数据组，其中200MPa(子组数量为2，具体的，200MPa，500-550℃；200MPa，500-600℃，在此子组下，温度水平数为3，温度水平分别为500℃、550℃、600℃)、250MPa(子组数量为2，具体的，250MPa，500-550℃；250MPa，500-600℃，温度水平数和温度水平与上述200MPa相同)、300MPa(子组数量为2，具体的，300MPa，500-550℃；300MPa，500-600℃，温度水平数和温度水平与上述200MPa相同)、350MPa(子组数量为2，具体的，350MPa，500-550℃；350MPa，500-600℃，温度水平数和温度水平与上述200MPa相同)、400MPa(子组数量为2，具体的，400MPa，500-550℃；400MPa，500-600℃，温度水平数和温度水平与上述200MPa相同)蠕变数据组的子组数量均为2，将以上蠕变数据组代入蠕变激活能表达式中，拟合确定不同温度范围内材料的蠕变激活能；
步骤4，将全部的蠕变数据代入蠕变激活体积和激活能的表达式中，拟合确定材料的蠕变激活能蠕变激活体积/>
步骤5，将不同温度下的Qnσ、汇总成Q组，将不同应力下的VmT、/>汇总成V组,计算数据结果如图6、图7所示；
步骤6，在置信度0.95的前提下，采用Ryan-Joiner检验法检验了Q组和V组数据的统计分布规律，结果显示Q组和V组数据的P值均大于0.05，以上两组均满足正态分布规律。设置显著性水平为0.05，采用Dixon双侧离群值检验法查找Q组、V组中的离群值。检验结果显示，Q组、V组中均不存在离群值。以上结果表明蠕变寿命加速条件设置合理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1，依照标准方法对试样进行蠕变实验，实验完成后，记录试样的实验条件及稳态蠕变速率，所述实验条件包括温度条件和应力条件；
步骤2，选取相同温度条件下的蠕变数据，根据设定的最少应力水平数，按照实验应力从小到大的顺序划分蠕变数据子组，在每个蠕变数据子组中，逐步增加实验应力水平，获得预定温度下用于应力评估的蠕变数据组，将该蠕变数据组代入蠕变激活体积表达式中，拟合确定不同应力范围内材料的蠕变激活体积VmT；
步骤3，选取相同应力条件下的蠕变数据，根据设定的最少温度水平数，按照实验温度从小到大的顺序划分蠕变数据子组，在每个蠕变数据子组中，逐步增加实验温度水平，获得预定应力下用于温度评估的蠕变数据组，将该蠕变数据组代入蠕变激活能表达式中，拟合确定不同温度范围内材料的蠕变激活能Qnσ；
步骤4，将全部的蠕变数据代入步骤2的蠕变激活体积和步骤3的蠕变激活能的表达式中，拟合确定材料的蠕变激活能平均值蠕变激活体积平均值/>
步骤5，将不同温度条件下的Qnσ、汇总成Q组，将不同应力条件下的VmT、/>汇总成V组；
步骤6，在设定的置信度下，检验所述Q组和所述V组的统计分布规律，在满足正态分布规律的前提下，根据设定的显著性水平，查找Q组、V组中的离群值，若Q组、V组中均不存在离群值，则所述蠕变寿命的加速条件是合理的，若Q组或V组不满足正态分布规律或存在离群值，则所述蠕变寿命的加速条件是不合理的；
其中，m为不同应力范围的蠕变数据子组编号，T为实验温度，n为不同温度范围的蠕变数据子组编号，σ为实验应力。
2.如权利要求1所述的一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法，其特征在于，所述步骤6中，若蠕变寿命的加速条件是不合理的，则降低温度条件和/或应力条件的上限，重新按照步骤2～5更新Q组、V组，继续按照步骤6的方法进行评价。
3.如权利要求1所述的一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法，其特征在于，所述步骤1中的温度条件至少包括三个不同的温度。
4.如权利要求1所述的一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法，其特征在于，所述步骤1中的应力条件至少包括四个不同的应力。
5.如权利要求1所述的一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法，其特征在于，所述步骤2中最少应力水平数和步骤3中最少温度水平数均不低于2。
6.如权利要求1所述的一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法，其特征在于，所述步骤2中蠕变激活体积表达式为，
其中，为稳态蠕变速率；σ为实验应力；VmT为蠕变激活体积；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度。
7.如权利要求1所述的一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法，其特征在于，所述步骤3中蠕变激活能表达式为，
其中，Qnσ为蠕变激活能，R为摩尔气体常数，A、x、c均为材料状态常数，为稳态蠕变速率。
8.如权利要求1所述的一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法，其特征在于，所述步骤6中置信度的取值范围不低于0.90。
9.如权利要求1所述的一种材料蠕变寿命试验的加速条件的评价方法，其特征在于，所述步骤6中判定离群值的显著性水平的取值范围为0.01-0.05。
10.一种材料蠕变寿命预测试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤s1，依照如权利要求1-9中任一项所述的评价方法评价加速条件；
步骤s2，依照所述加速条件进行蠕变试验，预测材料的蠕变寿命。
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