CN108458930A - 运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数的方法，包括如下步骤：步骤(1)，获得材料的固支直杆小试样蠕变位移时间曲线；步骤(2)，确定试样小变形与大变形的临界位移；步骤(3)，将蠕变位移时间曲线进行变形阶段划分，确定稳态蠕变所处的变形阶段；步骤(4)，当稳态蠕变出现在小变形阶段时，采用梁弯曲理论分析小变形阶段蠕变位移曲线，获得材料的蠕变变形参数；步骤(5)，当稳态蠕变出现在大变形阶段时，采用全局变形理论分析大变形阶段蠕变位移曲线，获得材料的蠕变变形参数。本发明通过分阶段地分析固支直杆小试样蠕变位移时间曲线，能够更准确地获得材料的真实蠕变参数。

Description

运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数的方法
技术领域
本发明涉及材料蠕变，具体涉及一种运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数的方法。
背景技术
蠕变，也称潜变，是在应力影响下固体材料缓慢永久性的移动或者变形的趋势。它的发生是低于材料屈服强度的应力长时间作用的结果。当材料长时间处于加热当中或者在熔点附近时，蠕变会更加剧烈。蠕变常常随着温度升高而加剧。这种变形的速率与材料性质、加载时间、加载温度和加载结构应力有关。
在化工过程与发电行业，为了获得高的能源利用率，设备与构件的工作温度与工作压力不断提高，工作环境愈加严苛。为了保证设备与构件高效安全运行，对在役设备与构件的蠕变性能检测就显得必不可少。
蠕变试验，即测定金属材料在长时间的恒温和恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形现象的一种材料机械性能试验。温度越高或应力越大，蠕变现象越显著。然而，传统单轴蠕变试样体积较大，取样会对设备造成较大损伤，有些设备与构件因体积较小，甚至无法提供试验所需的材料，这些促进了小试样蠕变方法的发展。
固支直杆小试样蠕变试验，即采用固支直杆小试样来测试材料蠕变性能的试验方法，因其试验设备简易、试样受力简单、能够获得断裂数据等优点，具有比较大的研究价值。
关于运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数，目前研究多集中在基于小变形假设的梁弯曲理论，然而小变形假设与实际蠕变中常出现的大变形现象不符，因此，采用基于小变形假设的梁弯曲理论确定材料大变形阶段的蠕变参数在理论假设基础上存在不足，不适合用来确定固支直杆小试样的蠕变参数，需要建立新型的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数的方法，本发明通过对材料不同变形阶段采用不同的蠕变变形理论分析，可以准确确定材料的蠕变参数，用以解决目前通过小变形假设的梁弯曲理论来确定材料大变形阶段的蠕变参数，使得材料蠕变参数的确定不够准确的问题。
为实现上述目的，本发明的方案是：一种运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数的方法，所述方法步骤如下：
步骤(1)，对待确定蠕变参数的材料制作固支直杆小试样，进行固支直杆小试样蠕变试验，获取直杆小试样的蠕变位移-时间曲线；
步骤(2)，根据误差函数和直杆小试样的等效标距，确定直杆小试样发生小变形的临界位移，并根据直杆小试样的等效标距确定直杆小试样发生大变形的临界位移；
步骤(3)，根据直杆小试样发生小变形和大变形的临界位移，将得到的蠕变位移-时间曲线划分小变形阶段和大变形阶段；
步骤(4)，根据步骤(3)，确定直杆小试样发生稳态蠕变时所处的变形阶段；
步骤(5)，当稳态蠕变发生在小变形阶段时，采用梁弯曲理论力学模型，对小变形阶段的蠕变位移-时间曲线进行分析，确定直杆小试样在小变形阶段的蠕变参数，该小变形阶段的蠕变参数即为材料的真实蠕变参数；
步骤(6)，当稳态蠕变发生在大变形阶段时，采用全局变形理论力学模型，对大变形阶段的蠕变位移-时间曲线进行分析，确定直杆小试样在大变形阶段的蠕变参数，该大变形阶段的蠕变参数即为材料的真实蠕变参数。
本发明对蠕变位移-时间曲线进行了不同变形阶段的划分，通过判断材料发生稳态蠕变所处的变形阶段，对不同的变形阶段采用不同的理论模型进行分析，确定材料的蠕变参数，结果更加真实准确可靠。
进一步地，根据本发明所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，其特征在于：步骤(2)中所述的误差函数为：
其中，Φ为误差函数，x为试样轴线方向的长度变量，d为试样中心蠕变位移，θ为试样的截面转角。
进一步地，根据本发明所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，所述的步骤(2)中，小变形的临界位移为：
其中，dcs为小变形的临界位移，l为梁下支点间的整体长度，θmax为误差函数达到0.1时的临界转角。
进一步地，根据本发明所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，所述的步骤(2)中，大变形的临界位移为：
dcl＝0.2·l
其中，dcl为大变形的临界位移，l为梁下支点间的整体长度。
进一步地，根据本发明所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，步骤(5)中所述的梁弯曲理论力学模型为：
其中，为试样中心蠕变位移速率，b为试样的宽度，2h为试样的原始厚度，P为试样蠕变载荷，l为梁下支点间的整体长度，n为材料的指数参数，B为材料常数，σeq'为小变形阶段的等效应力，为小变形阶段的等效应变速率。
本发明对现有的梁弯曲理论力学模型进行了修正，修正的梁弯曲理论力学模型考虑了试样的整体变形长度，与单轴蠕变关联性更好。
进一步地，根据本发明所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，步骤(6)中所述的全局变形理论力学模型为：
其中，d为试样中心蠕变位移，R为试验压头半径，θ0为压头与试样接触的最大转角，l为梁下支点间的整体长度，εeq为大变形阶段的整体等效应变，σeq为大变形阶段的等效应力，P为试样蠕变载荷，大变形阶段的整体等效应变速率。
进一步地，根据本发明所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，所述步骤(5)中，对所述的蠕变位移-时间曲线进行微分处理，获得蠕变位移速率-时间曲线，并根据蠕变位移速率-时间曲线确定材料的稳态蠕变位移速率，将所述的稳态蠕变位移速率与载荷代入梁弯曲理论力学模型，获得直杆小试样小变形阶段的等效应力与等效应变速率，并绘制双对数坐标下试样的稳态应变速率-等效应力关系曲线，并通过对稳态应变速率-等效应力关系曲线进行线性拟合，得到材料的蠕变参数。
进一步地，根据本发明所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，所述步骤(6)中，根据所述的蠕变位移-时间曲线确定稳态蠕变位移，并将所述的稳态蠕变位移与载荷代入全局变形理论力学模型，得到大变形阶段的等效应变与等效应力，并将等效应变对时间进行微分，得到直杆小试样大变形阶段的等效应变速率，并绘制双对数坐标下试样的稳态应变速率-等效应力关系曲线，并通过对稳态应变速率-等效应力关系曲线进行线性拟合，得到材料的蠕变参数。
本发明达到的有益效果：(1)本发明通过计算固支直杆小试样发生小变形与大变形的临界位移，将蠕变位移-时间曲线划分出大变形阶段和小变形阶段，不同的蠕变变形阶段的蠕变变形采用不同的理论分析方法，使得获取的蠕变参数更加准确。
(2)本发明对稳态蠕变发生在小变形阶段时的力学模型进行了修正，与有效跨距法相比，修正的梁弯曲理论模型考虑了试样的真实跨距，与单轴蠕变关联性更好。
(3)本发明对稳态蠕变发生在大变形阶段时的力学模型进行了研究，基于全局变形理论提出了固支蠕变大变形阶段的分析方法，可以获得材料大变形下的蠕变变形参数。
附图说明
图1为固支直杆小试样蠕变参数确定方法的流程图。
图2为固支直杆小试样蠕变试验的安装示意图。
图3为固支直杆小试样蠕变试验装置。
图4为380℃下A7N01铝合金的固支直杆小试样蠕变位移时间曲线。
图5为A7N01铝合金固支直杆小试样蠕变位移-时间曲线变形阶段的划分。
图6为基于小变形假设的梁弯曲理论力学模型。
图7为基于大变形假设的全局变形理论力学模型。
图8为380℃下A7N01铝合金的单轴蠕变试验曲线。
图9为不同变形理论下A7N01铝合金的等效应力与等效应变速率的关系。
图中，1为夹具上模，2为夹具下模，3为压头，4为直杆小试样。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明的方法如下：
(1)本发明运用固支直杆小试样蠕变试验获取材料的蠕变位移-时间曲线，并将蠕变位移-时间曲线划分为小变形阶段、过渡阶段与大变形阶段。
本发明中的固支直杆小试样蠕变试验满足《GB/T2039-2012金属材料单轴拉伸试验方法》规定的蠕变试验条件。
(2)通过直杆小试样发生小变形和大变形的临界位移，对直杆小试样发生稳态蠕变所处的变形阶段进行分析判断；
(3)当稳态蠕变发生在小变形阶段时，采用梁弯曲理论力学模型进行分析，获取材料小变形阶段的蠕变参数，并将该小变形阶段的蠕变参数作为材料的真实蠕变参数。具体为：
将步骤(1)得到的蠕变位移-时间曲线进行微分处理，获得蠕变位移速率-时间曲线，蠕变位移速率-时间曲线中，蠕变位移速率随时间变化缓慢或几乎无变化时，所对应的蠕变位移速率为相应载荷下的稳态蠕变位移速率，将所述的稳态蠕变位移速率与载荷代入梁弯曲理论力学模型，得到直杆小试样梁弯曲理论下的等效应力与稳态应变速率，将稳态应变速率和等效应力绘于双对数坐标下，得到稳态应变速率-等效应力关系曲线，并对稳态应变速率-等效应力曲线进行线性拟合，得到梁弯曲理论下小变形阶段的蠕变参数B、n，即为材料的真实蠕变参数。
本发明采用的梁弯曲理论力学模型为：
其中，为蠕变位移速率，b为试样的宽度，2h为试样的原始厚度，P为试样蠕变载荷，l为梁下支点间的整体长度，n为材料的指数参数，B为材料常数，σeq'为小变形阶段的等效应力，为小变形阶段的等效应变速率。
(4)当稳态蠕变发生在大变形阶段时，采用全局变形理论力学模型进行分析，获取材料大变形阶段的蠕变参数，并将该大变形阶段的蠕变参数作为材料的真实蠕变参数。具体为：
根据步骤(1)得到的载荷、蠕变位移与时间代入全局变形理论力学模型，得到大变形阶段的等效应变-时间曲线以及等效应力-时间曲线，将等效应变-时间曲线进行微分处理，得到全局变形理论下的等效应变速率-时间曲线，并确定全局变形理论下试样的稳态应变速率与对应的等效应力，将稳态应变速率和等效应力绘于双对数坐标下，得到稳态应变速率-等效应力关系曲线，如图9所示，在双对数坐标下，稳态应变速率与等效应力呈现线性关系，对图9的稳态应变速率-等效应力曲线进行线性拟合，得到全局变形理论下大变形阶段的蠕变参数B、n，即为材料的真实蠕变参数。
本发明采用的全局变形理论力学模型为：
其中，d为试样中心蠕变位移，R为试验压头半径，θ0为压头与试样接触的最大转角，l为梁下支点间的整体长度，εeq为大变形阶段的整体等效应变，σeq为大变形阶段的等效应力，P为试样蠕变载荷，大变形阶段的整体等效应变速率。
实施例：材料为A7N01铝合金，固支直杆小试样的试验温度为380℃，运用本发明的方法确定A7N01铝合金蠕变参数的过程如下：
1，对A7N01铝合金取材，并制作A7N01铝合金的固支直杆小试样，如图2，用夹具上模1固定直杆小试样4的两端，压头3下端压紧直杆小试样4的中间区域，在380℃下对A7N01铝合金进行不同蠕变载荷的蠕变试验，并在试验结束后，获取并记录直杆试样的蠕变位移-时间曲线，如图4所示。
2，通过误差函数，结合试验装置的尺寸，确定试样发生小变形与大变形的临界位移分别为1.003mm与2.40mm。
本实施例的误差函数为：
其中，Φ为误差函数，x为试样的轴线方向，d为试样中心蠕变位移，θ为试样的截面转角。
小变形的临界位移计算方法为：大变形的临界位移计算方法为：dcl＝0.2·l。其中，l为梁下支点间的整体长度，即试验装置的夹具下模之间的跨距，θmax为误差函数达到0.1时的临界转角。
3，根据试样发生小变形与大变形的临界位移，将得到的蠕变位移-时间曲线划分为小变形阶段、过渡阶段与大变形阶段，如图5所示，从图5可以确定，本实施例中，试样的稳态蠕变发生在大变形阶段。
4，因为稳态蠕变发生在大变形阶段，采用全局变形理论力学模型，对图5中大变形阶段的蠕变位移-时间曲线进行分析，按照上述(4)的方法，确定大变形阶段的蠕变参数，本实施例得到的蠕变参数为B＝2.381E-9，n＝5.80。
5，将全局变形理论得到材料蠕变参数作为材料的真实蠕变参数。
将本实施例中运用本发明方法确定的蠕变参数与单轴蠕变试验得到的蠕变参数进行比较，如图8所示为单轴蠕变试验的曲线，单轴蠕变试验得到的蠕变参数为B＝1.988E-9，n＝5.75。可见，本发明方法确定的蠕变参数与单轴蠕变得到的蠕变参数非常接近，运用本发明方法确定的材料蠕变参数比较准确，图9为单轴蠕变与本实施例固支直杆蠕变试验条件下A7N01铝合金的等效应力与等效应变速率的关系。
本发明通过计算直杆小试样发生小变形与大变形的临界位移，将蠕变位移-时间曲线划分出大变形阶段和小变形阶段，不同的蠕变变形阶段的蠕变变形采用不同的理论分析方法：当稳态蠕变发生在小变形阶段时，采用梁弯曲理论分析，获取材料的蠕变参数；当稳态蠕变发生在大变形阶段时，采用全局变形理论进行分析，获取材料的蠕变参数。不同变形阶段采用不同的理论分析方法，使得获取的蠕变参数更加准确、真实。

Claims (8)

1.一种运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤(1)，对待确定蠕变参数的材料制作固支直杆小试样，进行固支直杆小试样蠕变试验，获取直杆小试样的蠕变位移-时间曲线；
步骤(2)，根据误差函数和固支直杆小试样试验装置的尺寸，分别确定直杆小试样发生小变形和大变形的临界位移；
步骤(3)，根据直杆小试样发生小变形和大变形的临界位移，将得到的蠕变位移-时间曲线划分小变形阶段和大变形阶段；
步骤(4)，根据步骤(3)，确定直杆小试样发生稳态蠕变时所处的变形阶段；
步骤(5)，当稳态蠕变发生在小变形阶段时，采用梁弯曲理论力学模型，对小变形阶段的蠕变位移-时间曲线进行分析，确定直杆小试样在小变形阶段的蠕变参数，该小变形阶段的蠕变参数即为材料的真实蠕变参数；
步骤(6)，当稳态蠕变发生在大变形阶段时，采用全局变形理论力学模型，对大变形阶段的蠕变位移-时间曲线进行分析，确定直杆小试样在大变形阶段的蠕变参数，该大变形阶段的蠕变参数即为材料的真实蠕变参数。
2.根据权利要求1所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，其特征在于：步骤(2)中所述的误差函数为：
其中，Φ为误差函数，x为试样轴线方向的长度变量，d为试样中心蠕变位移，θ为试样的截面转角。
3.根据权利要求2所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，小变形的临界位移为：
其中，dcs为小变形的临界位移，l为梁下支点间的整体长度，θmax为误差函数达到0.1时的临界转角。
4.根据权利要求1所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，大变形的临界位移为：
dcl＝0.2·l
其中，dcl为大变形的临界位移，l为梁下支点间的整体长度。
5.根据权利要求1所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，其特征在于：步骤(5)中所述的梁弯曲理论力学模型为：
其中，为蠕变位移速率，b为试样的宽度，2h为试样的原始厚度，l为梁下支点间的整体长度，σeq'为小变形阶段的等效应力，为小变形阶段的等效应变速率，P为试样蠕变载荷，n为材料的指数参数，B为材料常数。
6.根据权利要求1所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，其特征在于：步骤(6)中所述的全局变形理论力学模型为：
其中，d为试样中心蠕变位移，R为试验压头半径，θ0为压头与试样接触的最大转角，P为试样蠕变载荷，l为梁下支点间的整体长度，εeq为大变形阶段的整体等效应变，σeq为大变形阶段的等效应力，大变形阶段的整体等效应变速率。
7.根据权利要求5所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，其特征在于，所述步骤(5)中，对所述的蠕变位移-时间曲线进行微分处理，获得蠕变位移速率-时间曲线，并根据蠕变位移速率-时间曲线确定材料的稳态蠕变位移速率，将所述的稳态蠕变位移速率与载荷代入梁弯曲理论力学模型，获得直杆小试样小变形阶段的等效应力与等效应变速率，并绘制双对数坐标下试样的稳态应变速率-等效应力关系曲线，并通过对稳态应变速率-等效应力关系曲线进行线性拟合，得到材料的蠕变参数。
8.根据权利要求6所述的运用固支直杆小试样蠕变试验确定材料蠕变参数方法，其特征在于，所述步骤(6)中，根据所述的蠕变位移-时间曲线确定稳态蠕变位移，并将所述的稳态蠕变位移与载荷代入全局变形理论力学模型，得到大变形阶段的等效应变与等效应力，并将等效应变对时间进行微分，得到直杆小试样大变形阶段的等效应变速率，并绘制双对数坐标下试样的稳态应变速率-等效应力关系曲线，并通过对稳态应变速率-等效应力关系曲线进行线性拟合，得到材料的蠕变参数。
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