環(huán)境溫度變化對蠕變變形測量的影響分析

吳安民，鐘漢萍，邱 鵬，張燕明

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院， 北京 100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；3.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

環(huán)境溫度變化對蠕變變形測量的影響分析

吳安民1,2,3，鐘漢萍1,2,3，邱 鵬1,2,3，張燕明1,2,3

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院， 北京 100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；3.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

分析了環(huán)境溫度變化對蠕變變形測量的影響，提出了減少環(huán)境溫度變化對蠕變變形測量影響的建議。

蠕變試驗；蠕變變形測量；環(huán)境溫度變化；影響

1 引 言

蠕變是指材料在恒定溫度、恒定載荷下隨時間增加產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。在蠕變試驗過程中，一般都考慮環(huán)境溫度的變化對材料蠕變性能的影響[1-2]。金屬材料拉伸蠕變試驗，一般需測試0.1%、0.2%的小應變量。為確保試驗數(shù)據(jù)的可靠性，避免環(huán)境溫度對試驗數(shù)據(jù)的測量造成影響，相關(guān)檢測標準都對試驗室的環(huán)境溫度做出了規(guī)定[3-5]，要求在進行蠕變試驗時，試驗間要有相對穩(wěn)定的環(huán)境溫度。

當前，國內(nèi)大部分蠕變試驗室的蠕變試驗都是在自然環(huán)境狀態(tài)的試驗間里進行，對于環(huán)境溫度的控制，一般是通過排風扇、開窗戶等簡易的方式進行調(diào)節(jié)。由于一年四季季節(jié)變化，試驗間里環(huán)境溫度變化較大，一些試驗是在檢測標準規(guī)定的環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)完成的，有些試驗卻是在超出檢測標準規(guī)定的環(huán)境溫度范圍完成的，如某些需要達到上萬小時的長壽命蠕變試驗。

本文通過分析環(huán)境溫度變化對試驗測試系統(tǒng)構(gòu)成要素的影響，說明環(huán)境溫度變化對蠕變變形測量結(jié)果的影響，并提出減少環(huán)境溫度變化對蠕變變形測量影響的意見和建議，希望能引起各試驗室對蠕變試驗間環(huán)境溫度穩(wěn)定的足夠重視。

2 環(huán)境溫度變化對蠕變試驗的影響

2.1 對熱電偶冷端溫度和爐溫熱損失的影響

蠕變試驗的控溫方式有直接控溫和間接控溫兩種方式。直接控溫是目前廣泛使用的控溫方式，一般采用控溫和測溫共用熱電偶的形式。一般蠕變試驗室規(guī)模都比較大，都采用集中群控的方式，控制間和試驗間是分開的。采用集中群控的方式，由于試驗機熱電偶冷端與控制間測控溫臺距離較遠，一般都用補償導線將測溫熱電偶的冷端延伸至控制間的測控溫臺，在測控溫臺設(shè)置一個恒溫箱或密閉的空間并保持空間溫度恒定，將鉑電阻放置于恒溫箱或密閉的恒溫空間里所測量的環(huán)境溫度作為測溫熱電偶的冷端溫度，而不去考慮試驗機熱電偶的冷端溫度變化。

對于采用直接控溫方式的測控溫加熱系統(tǒng)，在試驗過程中，雖然保持測控溫臺測溫熱電偶冷端溫度穩(wěn)定，測溫熱電偶的熱端與冷端熱電勢差值沒有發(fā)生變化，但是，試驗間環(huán)境溫度變化較大時，熱電偶的冷端溫度發(fā)生變化，使熱電偶熱端與冷端之間的熱電勢差值發(fā)生變化，從而引起高溫加熱爐爐溫的波動變化，對蠕變變形的采集產(chǎn)生影響。

蠕變試驗過程中，試樣的加熱是由電爐絲加熱后通過熱輻射的方式傳遞給試樣，爐膛內(nèi)的溫度通過熱擴散達到均勻穩(wěn)定。試驗過程中，通過爐壁和兩端的爐口都會散失熱量，為了保持爐溫穩(wěn)定，電爐絲會反復地升溫加熱，補償爐壁和兩端爐口的熱損失，電爐絲的加熱功率一直處于變化的狀態(tài)，爐膛內(nèi)的溫度處于動態(tài)熱平衡，試驗溫度也是實時波動變化的。為了確保爐溫穩(wěn)定，試驗方法中都規(guī)定了不同溫度范圍允許的溫度偏差值。環(huán)境溫度變化較大或突變時，通過爐壁和兩端爐口散失的熱量會增大，電爐絲反復升溫加熱的頻率和升溫加熱功率會增大，升溫時，由于有熱慣性，在熱擴散過程中，會引起爐溫的波動，對蠕變變形的測量產(chǎn)生影響。

爐溫波動變化大時，試樣及引伸計桿爐內(nèi)部分處于反復加熱的狀態(tài)，在熱脹冷縮效應下，會對蠕變變形的測量產(chǎn)生影響。另外，爐溫波動變化大時，在熱慣性作用下，爐溫會產(chǎn)生熱振蕩。由于引伸計在試樣軸向拉力方向不受力，在熱振蕩效應下會對引伸計產(chǎn)生微振，對蠕變變形的測量也會產(chǎn)生影響。試驗溫度的波動幅度越大，試樣和蠕變引伸計桿的熱脹冷縮效應和熱振蕩效應越明顯，對蠕變變形測量的影響也越大。

2.2 對引伸計桿的影響

目前廣泛使用的引伸計都是用高溫合金加工制作的，測量蠕變變形時，由于引伸計與試樣的連接端在高溫加熱爐內(nèi)，而變形測量傳感器連接端在高溫加熱爐爐體外，引伸計桿在高溫加熱爐內(nèi)和爐外部分的溫度梯度很大。例如，一個1000℃的蠕變試驗，爐口溫度只有100℃左右，當試驗機環(huán)境溫度變化較大或試驗機周圍有流動的氣流時，引伸計桿會出現(xiàn)明顯的熱脹冷縮效應，對蠕變變形測量產(chǎn)生明顯的影響，蠕變應變時間曲線會隨著環(huán)境溫度的變化出現(xiàn)同步的波動變化。

3 蠕變變形測量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

目前，測量蠕變變形常采用高溫合金引伸計、陶瓷引伸計、光學非接觸蠕變測量方法等。光學非接觸蠕變測量方法是近幾年興起的熱點探索研究的測量方法，在變形測量過程中受環(huán)境溫度變形影響較小，但對于高溫蠕變試驗，由于該技術(shù)還不成熟，還沒有廣泛地推廣使用。與高溫合金引伸計相比，陶瓷引伸計因為陶瓷材料比高溫合金的線膨脹系數(shù)小、抗氧化、耐高溫性能好，測量蠕變變形時受環(huán)境溫度變化的影響較小，成為蠕變變形測量一個較佳的選擇方案，也是未來蠕變變形測量的一個發(fā)展趨勢。

4 蠕變試驗室環(huán)境條件現(xiàn)狀及改善

當前，國內(nèi)大部分蠕變試驗室的蠕變試驗都是在自然環(huán)境狀態(tài)的試驗間里進行，對于環(huán)境溫度的控制一般通過排風扇、開窗戶等簡易的方式進行調(diào)節(jié)，由于一年四季季節(jié)變化，試驗間環(huán)境溫度變化較大。而且不同蠕變試驗室，因為設(shè)備數(shù)量和設(shè)備放置密度不同，試驗間環(huán)境溫度的變化范圍有所差異。

有試驗室的環(huán)境溫度記錄表明，冬季環(huán)境溫度在30℃～38℃之間波動，夏季環(huán)境溫度在40℃～51℃之間波動。尤其對于一些長壽命蠕變試驗，試驗過程中會出現(xiàn)環(huán)境溫度不符合檢測標準的情況，影響測試數(shù)據(jù)的可靠性。部分有條件的蠕變試驗室，如寶鋼、上海電氣汽輪機廠等試驗室，在試驗間加裝了空調(diào)設(shè)施來調(diào)節(jié)試驗間的環(huán)境溫度變化，環(huán)境溫度能控制在±3℃變化。國外試驗室對蠕變試驗間的環(huán)境溫度控制更為嚴格，日本國立材料科學研究所(NIMS)和帝國理工大學的蠕變試驗間環(huán)境溫度波動在±1℃。

5 結(jié) 論

(1)蠕變試驗室可采取加裝空調(diào)設(shè)施等措施來控制試驗間的環(huán)境溫度，一般環(huán)境溫度變化控制在±3℃或更小的范圍，以減小環(huán)境溫度變化對蠕變引伸計和測控溫系統(tǒng)的影響，確保蠕變測試數(shù)據(jù)的可靠性。

(2)選用對環(huán)境溫度變化不敏感、線膨脹系數(shù)小的材料作為蠕變引伸計加工制作的首選材料，如陶瓷引伸計，保證蠕變試驗數(shù)據(jù)的準確。

[1]丁智平,劉義倫,尹澤勇,等.鎳基單晶高溫合金蠕變-疲勞壽命評估方法進展[J].機械強度,2003,25(3):254-259.

[2]曾國偉,楊新華,白凡,等.瀝青砂粘彈塑蠕變損傷本構(gòu)模型實驗研究[J].工程力學,2013,30(4):249-253.

[3]HB5151-96 金屬高溫拉伸蠕變試驗方法[S].

[4]GB/T2039-2012 金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法[S].

[5]ASTM E139-11 Standard Test Methods for Conducting Creep, Creep-Rupture, and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials [S].

Analysis for Effect of Ambient Temperature Variation on Creep Deformation Measurement

Wu Anmin1,2,3, Zhong Hanping1,2,3, Qiu Peng1,2,3, Zhang Yanming1,2,3

(1.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China； 2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China； 3.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China)

The effects of ambient temperature variation on components of creep deformation measurement system as well as the creep deformation measurement are analyzed, and proposals are made to reduce the effect of ambient temperature variation on creep deformation measurement.

creep test; creep deformation measurement; ambient temperature variation; effect

2016-08-26

吳安民(1981-)，男，漢族，本科，工程師，主要從事航空材料高溫力學性能的測試與研究工作。

TB302.3

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.009