CN112649278A - 一种金属蠕变性能测试的方法 - Google Patents

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CN112649278A CN202011355106.5A CN202011355106A CN112649278A CN 112649278 A CN112649278 A CN 112649278A CN 202011355106 A CN202011355106 A CN 202011355106A CN 112649278 A CN112649278 A CN 112649278A
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康盆伟
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Abstract

本申请提供了一种金属蠕变性能测试方法，所述方法通过对试样加载初始轴向应力后，以相同的时间间隔，依次增加与初始轴向应力相同的轴向应力，直到所述试样断裂；然后利用称重传感器和线性可变差动变压器对应力、应变数据进行实时采集，将所述数据传输到计算机中，利用软件对所述数据进行处理，绘制出所述试样的蠕变曲线；利用得到的蠕变曲线，得到最小蠕变速率，再根据幂定律公式，做出最小蠕变速率‑蠕变应力对数图，获得蠕变指数。本申请提供的测试方法，能够解决金属蠕变性能测试使用样品多、测试时间长的问题。

Description

一种金属蠕变性能测试的方法
技术领域
本申请涉及金属性能测试技术领域，特别是涉及一种金属蠕变性能测试的方法。
背景技术
“蠕变”是指，在相对较高的温度下，材料在长时间的载荷下抵抗变形或破坏的能力。在实际生产应用中，一些金属材料需要在室温或相对高温下，在固定或无固定载荷下长期使用，而蠕变行为对金属材料的长时间稳定工作至关重要，因此，明确金属材料在不同压力和温度下的工作寿命，才能够避免过度的蠕变或蠕变破坏。
目前，对于金属蠕变性能的测试，主要是测定金属在不同压力和温度下的蠕变指数。而传统方法需要使用多个样品进行蠕变指数的测试，而多个样品测量往往会由于样品间差异导致测量结果的准确性差异，并且蠕变测量时间长。因此，开发一种快速测试金属蠕变性能的方法，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种金属蠕变性能测试的方法，用以解决蠕变性能测试使用样品多、测试时间长的问题。
本申请提供了一种金属蠕变性能测试方法，其包括以下步骤：
(1)将待测金属试样固定于蠕变形变量测试设备的试样室，将温度传感器依次对准所述样品的上、中、下三个位置；
(2)调整所述蠕变形变量测试设备的高度，选择蠕变形变量测量测试杆，以持续测量蠕变形变；
(3)将所述试样加热到预设测试温度；
(4)对所述试样加载初始轴向应力后，以相同的时间间隔，依次增加与所述初始轴向应力相同的轴向应力，直到所述试样断裂；
利用称重传感器和线性可变差动变压器对应力、应变数据进行实时采集，将所述数据传输到计算机中，利用软件对所述数据进行处理，绘制出所述试样的蠕变曲线；
(5)利用步骤(4)得到的蠕变曲线，得到最小蠕变速率，再根据幂定律公式，做出最小蠕变速率-蠕变应力对数图，获得蠕变指数。
在本申请的一些实施方式中，所述时间间隔为0.5-5h。
在本申请的一些实施方式中，所述初始轴向应力为所述待测金属试样的屈服应力的2％-8％。
在本申请的一些实施方式中，测试温度范围为25-1500℃。
在本申请的一些实施方式中，所述试样的尺寸为(2-20)mm×(2-20)mm×(20-200)mm。
在本申请的一些实施方式中，将所述试样固定于蠕变形变量测试设备的试样室之前，所述方法还包括：
调试所述蠕变形变量测试设备的准确度，使所述蠕变形变量测试设备的分辨率小于0.0001mm；
调试所述加热设备，使测试温度和显示温度的温差小于5℃；
检测应力加载，使实验应力值和加载应力值的误差小于1％。
在本申请的一些实施方式中，将所述试样固定于蠕变形变量测试设备的试样室之后，所述方法还包括：
检测所述蠕变形变量测试设备与所述加热设备在轴向方向的平行度。
本申请提供的金属蠕变性能测试的方法，采用阶梯式测试方法，通过对同一个样品，在同一测试温度下，以相同的时间间隔，在相同的施加应力变化步骤下，得到一系列待测金属的蠕变曲线，继而进一步得到待测金属的蠕变指数。本申请的测试方法仅使用一个试样，避免了多个试样测量时由于试样间差异导致测量结果准确性差异的问题；而且，本申请的测试方法测试时间短、测试过程简便，利用此方法测试金属蠕变性能更高效。
当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施方式。
图1为实施例1的蠕变曲线图；
图2为实施例2的蠕变曲线图；
图3为实施例1-2的最小蠕变速率-蠕变应力对数图；
图4为实施例3的蠕变曲线图；
图5为实施例4的蠕变曲线图；
图6为实施例5的蠕变曲线图；
图7为实施例6的蠕变曲线图；
图8为实施例7的蠕变曲线图；
图9为实施例8的蠕变曲线图；
图10为实施例3-8的最小蠕变速率-蠕变应力对数图；
图11为实施例9的蠕变曲线图；
图12为实施例10的蠕变曲线图；
图13为实施例9-10的最小蠕变速率-蠕变应力对数图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图和实施例，对本申请进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请提供了一种金属蠕变性能测试方法，其包括以下步骤：
(1)将待测金属试样固定于蠕变形变量测试设备的试样室，将温度传感器依次对准所述试样的上、中、下三个位置；
在本申请的一些实施方式中，对所述试样的尺寸不做特别限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要满足本申请目的即可，例如，所述试样的尺寸可以为(2-20)mm×(2-20)mm×(20-200)mm。
在本申请的一些实施方式中，将待测金属试样通过夹具固定于蠕变形变量测试设备的试样室中，夹具的使用能够保证试样在蠕变测试过程中的固定。在本申请中，对夹具的大小、种类不做特别限定，本领域技术人员可以根据上述试样的尺寸选择夹具，只要满足本申请目的即可。在本申请中，对蠕变形变量测试设备不做特别限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要满足本申请目的即可。
在本申请的一些实施方式中，将温度传感器依次对准所述样品的上、中、下三个位置，用来监测不同位置的试样温度，当所述试样的上、中、下三个位置均达到预设测试温度时，即达到试样的热平衡，热平衡后，可以对试样开始加载轴向应力。在本申请中，对温度传感器的种类不做特别限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要满足本申请目的即可。
在本申请的一些实施方式中，在将所述试样固定于蠕变形变量测试设备的试样室之前，可以调试蠕变形变量测试设备的准确度，使蠕变形变量测试设备的分辨率小于0.0001mm，以更加精准地测量蠕变过程的应变数据；可以调试加热设备，使连接试样上、中、下三个位置的三个温度传感器的测试温度和显示温度的温差均小于5℃，从而使加热过程中的温度偏差更小，可以更加准确地控制试样的加热温度；还可以检测应力加载，使实验应力值和加载应力值的误差小于1％，从而在蠕变测试过程中获得更准确的应力数据。通过上述操作步骤，能够使金属蠕变性能测试过程中应变、应力、加热温度的数据误差值更小，以便能够获得更加真实、准确的待测金属的蠕变性能指标。
在本申请的一些实施方式中，在将所述试样固定于蠕变形变量测试设备的试样室之后，还可以检测所述蠕变形变量测试设备与所述加热设备在轴向方向的平行度，以使试样在加热过程中受热均匀、在拉伸过程中受力均匀，从而获得合理的蠕变曲线。
(2)调整所述蠕变形变量测试设备的高度，选择蠕变形变量测量测试杆，以持续测量蠕变形变；
在本申请的一些实施方式中，对蠕变形变量测试设备的高度和蠕变形变量测量测试杆的长度没有特别限定，本领域技术人员根据实际需要进行选择，只要满足本申请目的，能够持续测量蠕变形变，确保蠕变测试的顺利进行即可。例如，蠕变形变量测试设备的高度可以为50mm-1050mm；蠕变形变量测量测试杆的长度可以为0.01-1000mm。
(3)将所述试样加热到预设测试温度；
在本申请的一些实施方式中，对测试温度范围没有特别限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要能实现本申请目的即可，例如，测试温度范围可以为25-1500℃。
在本申请中，对试样的加热时间没有特别限定，只要试样整体达到预设测试温度即可，例如，可以为10min-2h。
(4)对所述试样加载初始轴向应力后，以相同的时间间隔，依次增加与所述初始轴向应力相同的轴向应力，直到所述试样断裂；
利用称重传感器和线性可变差动变压器对应力、应变数据进行实时采集，绘制出所述试样的蠕变曲线，例如将所述数据传输到计算机中，利用软件对所述数据进行处理，绘制出所述试样的蠕变曲线；在本申请的一些实施方式中，对时间间隔没有特别限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要能实现本申请目的即可，例如，时间间隔为0.5-5h。
在本申请的一些实施方式中，对初始轴向应力没有特别限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要能实现本申请目的即可，例如，所述初始轴向应力为待测金属试样的屈服应力的2％-8％。在本申请中，待测金属试样的屈服应力在进行蠕变测试前已知，得到试样的屈服应力的方法在本申请中不做特别限定，本领域技术人员根据实际需要进行选择，只要满足本申请目的即可。
在本申请的一些实施方式中，利用称重传感器获得蠕变测试过程中每个间隔时间的应力值，利用线性可变差动变压器获得蠕变测试过程中每个间隔时间的应变值，不同时间间隔对应的不同的应力、应变数据传输到计算机后，利用软件对数据进行处理，绘制得到试样在相同时间间隔的应力增加变化蠕变曲线。
在本申请中，对称重传感器、线性可变差动变压器的种类不做特别限定，本领域技术人员根据实际需要进行选择，只要满足本申请目的即可。例如，称重传感器可以为拉力传感器。
(5)利用步骤(4)得到的蠕变曲线，得到最小蠕变速率，再根据幂定律公式，做出最小蠕变速率-蠕变应力对数图，获得蠕变指数。
在本申请的一些实施方式中，利用得到的应力增加变化蠕变曲线，在Origin中，对每一相同时间间隔下不同应力值对应的每一段蠕变曲线进行微分处理，求出每一段蠕变曲线中应变对时间的微分值，并筛选出其中的最小值，即为每一段蠕变曲线的最小蠕变速率，由此，能够依次获得不同应力值下对应的最小蠕变速率；然后，根据幂定律公式：
Figure BDA0002802396070000061
应力，n为蠕变指数，B′是与材料和微结构相关的常量，QC为蠕变的活化能，当温度恒定时，通常将温度的影响整合到常数B，表示与材料微结构和温度相关的常数。
以上各个曲线可以利用软件做出。在本申请中，对软件不做特别限定，本领域技术人员根据实际需要进行选择，只要满足本申请目的即可，例如，可以包括Origin、Excel、Mathlab等软件中的至少一种。
本申请提供的上述金属蠕变性能测试的方法，在测试过程中，仅需使用一个试样，在相同的施加应力变化步骤下，以相同的间隔时间进行了蠕变实验，获得应力、应变数据，作出蠕变曲线，再获得不同应力值下对应的最小蠕变速率，进而根据幂定律公式，做出最小蠕变速率-蠕变应力对数图，获得待测金属的蠕变指数。上述测试方法仅使用一个试样，避免了多个试样测量时由于试样间差异导致测量结果准确性差异的问题；而且，上述测试方法所需时间短、测试过程简便，从而使金属蠕变性能测试更高效。
本领域中所用的术语一般为本领域技术人员常用的术语，如果与常用术语不一致，以本申请中的术语为准。
以下，举出实施例及对比例来对本申请的实施方式进行更具体地说明。各种的试验及评价按照下述的方法进行。
实施例1
<蠕变测试>
(1)将4mm×4mm×25mm的T6热处理后的半固体铸造A365(SSM-A365-T6)铝合金试样通过夹具，固定于蠕变形变量测试设备的试样室中，将温度传感器依次对准试样的上、中、下三个位置；
(2)将蠕变形变量测试设备的高度调整为500mm，选择长度为200mm的蠕变形变量测量测试杆；
(3)将试样加热到25℃；
(4)对试样加载5％的屈服应力(360MPa)，即18MPa，然后，每隔1h增加18MPa，直到试样断裂；
在应力加载过程中，利用称重传感器将对应于不同时间间隔的应力值传输到计算机中；利用线性可变差动变压器将不同应力下、相同时间间隔发生的应变值传输到计算机中，利用Origin软件对数据进行处理，绘制得到如图1所示的蠕变曲线；
(5)将图1所示的蠕变曲线中，每1h得到的不同的蠕变曲线段，分别通过Origin进行微分处理，依次得到对应的最小蠕变速率；
然后，根据幂定律公式：
Figure BDA0002802396070000071
通过Origin绘制最小蠕变速率-蠕变应力对数图，如图3所示，其斜率蠕变指数n。
实施例2
<蠕变测试>
(1)除了待测试样为T6热处理后的A365(A365-T6)铝合金，其余与实施例1相同；
(2)-(3)与实施例1相同；
(4)除了对试样加载5％的屈服应力(350MPa)，即17.5MPa，然后，每隔1h增加17.5MPa以外，其余与实施例1相同；
(5)与实施例1相同。
其中，获得的蠕变曲线如图2所示；最小蠕变速率-蠕变应力对数图如图3所示。
实施例3
<蠕变测试>
(1)-(2)与实施例1相同；
(3)将试样加热到220℃；
(4)除了对试样加载5％的屈服应力(290MPa)，即14.5MPa，然后，每隔1h增加14.5MPa以外，其余与实施例1相同；
(5)与实施例1相同。
其中，获得的蠕变曲线如图4所示；最小蠕变速率-蠕变应力对数图如图10所示。
实施例4
<蠕变测试>
(1)-(2)与实施例1相同；
(3)与实施例3相同；
(4)除了对试样加载5％的屈服应力(280MPa)，即14MPa，然后，每隔1h增加14MPa以外，其余与实施例1相同；
(5)与实施例1相同。
其中，获得的蠕变曲线如图5所示；最小蠕变速率-蠕变应力对数图如图10所示。
实施例5
<蠕变测试>
(1)-(2)与实施例1相同；
(3)将试样加热到250℃；
(4)除了对试样加载5％的屈服应力(255MPa)，即12.75MPa，然后，每隔1h增加12.75MPa以外，其余与实施例1相同；
(5)与实施例1相同。
其中，获得的蠕变曲线如图6所示；最小蠕变速率-蠕变应力对数图如图10所示。
实施例6
<蠕变测试>
(1)-(2)与实施例1相同；
(3)与实施例5相同；
(4)除了对试样加载5％的屈服应力(250MPa)，即12.5MPa，然后，每隔1h增加12.5MPa以外，其余与实施例1相同；
(5)与实施例1相同。
其中，获得的蠕变曲线如图7所示；最小蠕变速率-蠕变应力对数图如图10所示。
实施例7
<蠕变测试>
(1)-(2)与实施例1相同；
(3)将试样加热到280℃；
(4)除了对试样加载5％的屈服应力(260MPa)，即13MPa，然后，每隔1h增加13MPa以外，其余与实施例1相同；
(5)与实施例1相同。
其中，获得的蠕变曲线如图8所示；最小蠕变速率-蠕变应力对数图如图10所示。
实施例8
<蠕变测试>
(1)-(2)与实施例1相同；
(3)与实施例7相同；
(4)除了对试样加载5％的屈服应力(235MPa)，即11.75MPa，然后，每隔1h增加11.75MPa以外，其余与实施例1相同；
(5)与实施例1相同。
其中，获得的蠕变曲线如图9所示；最小蠕变速率-蠕变应力对数图如图10所示。
实施例9
<蠕变测试>
(1)-(2)与实施例1相同；
(3)将试样加热到300℃；
(4)除了对试样加载5％的屈服应力(245MPa)，即12.25MPa，然后，每隔1h增加12.25MPa以外，其余与实施例1相同；
(5)与实施例1相同。
其中，获得的蠕变曲线如图11所示；最小蠕变速率-蠕变应力对数图如图13所示。
实施例10
<蠕变测试>
(1)-(2)与实施例1相同；
(3)与实施例9相同；
(4)除了对试样加载5％的屈服应力(220MPa)，即11MPa，然后，每隔1h增加11MPa以外，其余与实施例1相同；
(5)与实施例1相同。
其中，获得的蠕变曲线如图12所示；最小蠕变速率-蠕变应力对数图如图13所示。
实施例1-10的数据和测试结果见表1。
对比例1
<蠕变测试>
(1)制备5个相同的4mm×4mm×25mm的SSM-A365-T6铝合金试样；
(2)将第1个试样通过夹具，固定于蠕变形变量测试设备的试样室中，将温度传感器依次对准试样的上、中、下三个位置；
(3)将蠕变形变量测试设备的高度调整为500mm，选择长度为200mm的蠕变形变量测量测试杆；
(4)将试样加热到25℃；
(5)对试样加载5％的屈服应力(360MPa)，即18MPa的恒定轴向应力，随着时间的延长，直到试样断裂；
利用称重传感器将应力值传输到计算机中，利用线性可变差动变压器将应变值传输到计算机中，利用Origin软件对数据进行处理，绘制得到蠕变曲线；
将获得的蠕变曲线，通过Origin处理得到对应的蠕变速率-归一化时间曲线图，得到最小蠕变速率；
(6)在剩余的4个试样上分别重复步骤(1)-(5)，对应的，将步骤(5)中的恒定轴向应力依次变为25％、45％、65％、85％的屈服应力分别作用于上述4个试样上，得到其余4个试样的蠕变曲线及最小蠕变速率；
(7)然后，根据幂定律公式：
Figure BDA0002802396070000101
在双对数坐标纸上画出最小蠕变速率-应力关系曲线图，获得蠕变指数n。
对比例2
<蠕变测试>
(1)除了待测试样为A365-T6铝合金，其余与对比例1相同；
(2)-(4)与对比例1相同；
(5)除了对试样加载5％的屈服应力(350MPa)，即17.5MPa的恒定轴向应力以外，其余与对比例1相同；
(6)-(7)与对比例1相同。
对比例3
<蠕变测试>
(1)制备10个相同的4mm×4mm×25mm的SSM-A365-T6铝合金试样；
(2)-(3)与对比例1相同；
(4)将试样加热到220℃；
(5)除了对试样加载5％的屈服应力(290MPa)，即14.5MPa的恒定轴向应力以外，其余与对比例1相同；
(6)在剩余的9个试样上分别重复步骤(1)-(5)，对应的，将步骤(5)中的恒定轴向应力依次变为10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％的屈服应力分别作用于上述9个试样上，得到其余9个试样的蠕变曲线及最小蠕变速率；
(7)与对比例1相同。
对比例4
<蠕变测试>
(1)除了待测试样为A365-T6铝合金，其余与对比例3相同；
(2)-(4)与对比例3相同；
(5)除了对试样加载5％的屈服应力(280MPa)，即14MPa的恒定轴向应力以外，其余与对比例3相同；
(6)-(7)与对比例3相同。
对比例5
<蠕变测试>
(1)-(3)与对比例3相同；
(4)将试样加热到280℃；
(5)除了对试样加载5％的屈服应力(260MPa)，即13MPa的恒定轴向应力以外，其余与对比例3相同；
(6)-(7)与对比例3相同。
对比例6
<蠕变测试>
(1)-(3)与对比例4相同；
(4)与对比例5相同；
(5)除了对试样加载5％的屈服应力(235MPa)，即11.75MPa的恒定轴向应力以外，其余与对比例4相同；
(6)-(7)与对比例4相同。
对比例7
<蠕变测试>
(1)制备20个相同的4mm×4mm×25mm的T6热处理后的半固体铸造A365(SSM-A365-T6)铝合金试样；
(2)-(3)与对比例1相同；
(4)将试样加热到300℃；
(5)除了对试样加载5％的屈服应力(245MPa)，即12.25MPa的恒定轴向应力以外，其余与对比例1相同；
(6)在剩余的19个试样上分别重复步骤(1)-(5)，对应的，将步骤(5)中的恒定轴向应力依次变为8％、11％、14％、17％、20％、23％、26％、29％、32％、35％、38％、41％、44％、47％、50％、53％、56％、59％、62％的屈服应力，分别作用于上述19个试样上，得到其余19个试样的蠕变曲线及最小蠕变速率；
(7)与对比例1相同。
对比例8
<蠕变测试>
(1)除了待测试样为A365-T6铝合金，其余与对比例7相同；
(2)-(4)与对比例7相同；
(5)除了对试样加载5％的屈服应力(220MPa)，即11MPa的恒定轴向应力以外，其余与对比例7相同；
(6)-(7)与对比例7相同。
对比例1-8的数据和测试结果见表1。
表1各实施例及对比例的制备参数及测试结果
Figure BDA0002802396070000141
通过本申请实施例1-10和对比例1-8可以看出，本申请所采用的阶梯式金属蠕变性能测试的方法，与传统方法相比，使用试样数量少、测试时间短、测试方法更简单，获得的蠕变指数非常接近对比例1-8中的蠕变指数。
可见，本申请提供的金属蠕变性能测试方法，通过对同一个试样，在同一测试温度下，以相同的时间间隔，在相同的施加应力变化步骤下，得到一系列待测金属的蠕变曲线，继而进一步得到待测金属的蠕变指数。本申请的测试方法仅使用一个试样，避免了多个试样测量时由于试样间差异导致测量结果准确性差异的问题；而且，本申请的测试方法测试时间短、测试过程简便，不用经过复杂的数学计算即可得到蠕变指数，因此用来测试金属蠕变指数更高效。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。

Claims (7)

1.一种金属蠕变性能测试方法，其包括以下步骤：
(1)将待测金属试样固定于蠕变形变量测试设备的试样室，将温度传感器依次对准所述试样的上、中、下三个位置；
(2)调整所述蠕变形变量测试设备的高度，选择蠕变形变量测量测试杆，以持续测量蠕变形变；
(3)将所述试样加热到预设测试温度；
(4)对所述试样加载初始轴向应力后，以相同的时间间隔，依次增加与所述初始轴向应力相同的轴向应力，直到所述试样断裂；
利用称重传感器和线性可变差动变压器对应力、应变数据进行实时采集，将所述数据传输到计算机中，利用软件对所述数据进行处理，绘制出所述试样的蠕变曲线；
(5)利用步骤(4)得到的蠕变曲线，得到最小蠕变速率，再根据幂定律公式，做出最小蠕变速率-蠕变应力对数图，获得蠕变指数。
2.根据权利要求1所述的金属蠕变性能测试方法，其中，所述时间间隔为0.5-5h。
3.根据权利要求1所述的金属蠕变性能测试方法，其中，所述初始轴向应力为所述待测金属试样的屈服应力的2％-8％。
4.根据权利要求1所述的金属蠕变性能测试方法，其中，测试温度范围为25-1500℃。
5.根据权利要求1所述的金属蠕变性能测试方法，其中，所述试样的尺寸为(2-20)mm×(2-20)mm×(20-200)mm。
6.根据权利要求1所述的金属蠕变性能测试方法，其中，将所述试样固定于蠕变形变量测试设备的试样室之前，所述方法还包括：
调试所述蠕变形变量测试设备的准确度，使所述蠕变形变量测试设备的分辨率小于0.0001mm；
调试所述加热设备，使测试温度和显示温度的温差小于5℃；
检测应力加载，使实验应力值和加载应力值的误差小于1％。
7.根据权利要求1所述的金属蠕变性能测试方法，其中，将所述试样固定于蠕变形变量测试设备的试样室之后，所述方法还包括：
检测所述蠕变形变量测试设备与所述加热设备在轴向方向的平行度。
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