李思寬，談建平，張 坤，史 浩，劉利強(qiáng)，莊法坤，涂善東

(1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237;2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

0 引 言

電力、煉化、冶金以及航空等領(lǐng)域的設(shè)備呈現(xiàn)出更高溫度、更長服役時間的發(fā)展趨勢，以符合節(jié)能降耗、高效環(huán)保的要求。工作溫度升高和服役壽命的延長，使得設(shè)備的蠕變失效與預(yù)防控制問題更加凸顯。因此，研究高溫工況下材料的蠕變及裂紋擴(kuò)展性能，對于保證高溫設(shè)備的安全和穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義[1-2]。同時研發(fā)新一代的高溫材料，按照材料基因工程的要求，快速高效測試材料的高溫性能已成為十分急迫的要求[3]。

目前對于高溫工況下材料的蠕變及裂紋擴(kuò)展性能研究，主要是使用圓棒或板狀蠕變拉伸、緊湊拉伸、單邊缺口等標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行高溫單軸蠕變及裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，已經(jīng)形成一套完善的測試設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試樣體積較大，在某些取樣限制的場合如在役構(gòu)件、薄壁件、焊接接頭、功能性梯度結(jié)構(gòu)[4]，無法開展傳統(tǒng)的單軸蠕變試驗(yàn)。為此，小試樣試驗(yàn)技術(shù)逐漸發(fā)展起來[5]。理論分析及試驗(yàn)研究結(jié)果均表明，小試樣方法在一定范圍內(nèi)可用于測試材料的蠕變性能。

關(guān)凱書等[6]開發(fā)出了可完成單個試樣測試的小沖桿試驗(yàn)機(jī)。李豐等[7]開發(fā)出了多頭蠕變試驗(yàn)機(jī)。涂善東等[8]設(shè)計(jì)了多頭小試樣蠕變試驗(yàn)裝置。然而，高溫下小試樣的表面氧化對測試結(jié)果影響較大[9]，現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備均無法有效實(shí)現(xiàn)高溫下試樣的氧化防護(hù)。另外，現(xiàn)有的蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)設(shè)備[10]，由于設(shè)備框架大、傳感器量程大等原因無法完成小試樣的蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。同時，現(xiàn)有的蠕變裂紋擴(kuò)展設(shè)備僅能完成單個標(biāo)準(zhǔn)試樣的測試，試驗(yàn)效率偏低。本文參考GB/T 2039-2012《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗(yàn)方法》[11]和HB 7623-1998《金屬材料蠕變裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》[12]，研制了一種能夠在真空環(huán)境下同時完成多個不同類型小試樣蠕變及蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的裝置。該裝置能夠有效防止試樣氧化，完成小沖桿、固支直桿、懸臂梁和三點(diǎn)彎小試樣蠕變試驗(yàn)，以及圓形緊湊拉伸試樣和小型緊湊拉伸試樣的蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。

1 小試樣高溫力學(xué)性能測試原理概述

1.1 小試樣蠕變測試原理

小試樣蠕變試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)蠕變試驗(yàn)[11]相似，通過加載桿對試樣施加豎直向下的恒定載荷，在試驗(yàn)溫度下保持載荷不變，記錄小試樣的變形量隨時間的變化關(guān)系。通過高精度的位移傳感器及引伸裝置，測量小試樣的變形量。工控機(jī)及配套軟件用于記錄位移隨時間的變化。

蠕變小試樣測試難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)小試樣蠕變數(shù)據(jù)同單軸數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。該關(guān)聯(lián)方法與試樣形式相關(guān)。對于彎曲類蠕變小試樣使用較多的形式有小沖桿試樣、三點(diǎn)彎試樣、懸臂梁試樣、固支直桿試樣[13-19]。經(jīng)過多年研究，歐盟標(biāo)準(zhǔn)化委員會制定了小沖桿蠕變試驗(yàn)方法導(dǎo)則[13]。Xu等[14]等采用彎曲試驗(yàn)測試材料的蠕變性能，試樣形式類似于懸臂梁，采用加載點(diǎn)位移速率結(jié)合數(shù)值分析的方法反演得到材料的蠕變參數(shù)。王玥[15]和馬淵睿[16]建立了三點(diǎn)彎小試樣測試材料蠕變性能的方法。莊法坤[17]基于梁變形理論和連續(xù)損傷力學(xué)方法建立了三點(diǎn)彎、懸臂梁和固支直桿彎曲試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變位移速率和蠕變斷裂時間的解析模型，可以將小試樣試驗(yàn)的載荷轉(zhuǎn)換為等效單軸應(yīng)力、蠕變位移速率轉(zhuǎn)換為等效應(yīng)變速率，實(shí)現(xiàn)了小試樣蠕變數(shù)據(jù)同單軸數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。各種小試樣的等效應(yīng)力和等效蠕變應(yīng)變速率計(jì)算方法見表1。

表1中σeq為單軸試樣等效應(yīng)力，為單軸試樣等效穩(wěn)態(tài)蠕變速率，為穩(wěn)態(tài)位移速率，dss為穩(wěn)態(tài)位移，P為實(shí)際載荷，Ksp為經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)參數(shù)，R為下?？装霃剑瑀為球形壓頭半徑，h0為試樣厚度，b為試樣寬度，h為試樣厚度的一半，l為試樣加載點(diǎn)到懸臂梁根部的距離，m為雙對數(shù)坐標(biāo)下穩(wěn)態(tài)位移速率與載荷曲線的斜率。

表1 各類型小試樣的等效應(yīng)力與等效蠕變應(yīng)變速率計(jì)算方法

1.2 小試樣蠕變裂紋擴(kuò)展測試原理

蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)用小試樣形式為圓形緊湊拉伸試樣[20]及小型緊湊拉伸試樣[21]。對試樣施加恒定載荷并記錄載荷線位移及裂紋長度隨時間的變化關(guān)系。位移測量方法與蠕變試驗(yàn)相同。由于直接測量裂紋長度難度較大，通常采用直流電位法測量。通過直流恒流電源給蠕變裂紋擴(kuò)展小試樣的兩端提供1 A電流。當(dāng)試樣中間的裂紋長度改變時，試樣上固定兩點(diǎn)的電壓將隨之變化。在電流不變的情況下利用數(shù)據(jù)采集儀記錄蠕變裂紋擴(kuò)展小試樣裂紋面兩端的電位差。得到電壓值后，結(jié)合電壓與裂紋擴(kuò)展長度之間的關(guān)系算出裂紋長度。

以圓形緊湊拉伸試樣[20]為例，導(dǎo)線與試樣連接位置見圖1，其裂紋長度和電壓值關(guān)系如下：

圖1 裂紋長度測量方法

式中：a——裂紋長度，mm；

W——試樣寬度，mm；

V——對應(yīng)于裂紋長度a的輸出電壓，mV；

V0——初始裂紋長度的初始電壓，mV。

裂紋長度和電壓值關(guān)系與電流引入位置及電壓測點(diǎn)位置相關(guān)，當(dāng)位置確定后，裂紋長度與輸出電壓和初始電壓的比值呈確定關(guān)系，與材料、測試溫度無關(guān)。測試過程中，不可避免會有溫度波動，造成測量電壓波動。根據(jù)實(shí)測結(jié)果分析，本裝置的爐溫波動僅造成±0.2%的電壓變化，換算成裂紋長度的偏差范圍為±0.3%。爐溫波動對裂紋長度測量的影響很小。亦可在測試過程中，串聯(lián)一塊參考試塊，測量參考試塊上的電壓值，以修正爐溫波動對測量結(jié)果的影響。

可由裂紋長度對時間求導(dǎo)得到裂紋擴(kuò)展速率，裂紋擴(kuò)展速率可采用斷裂參量C?關(guān)聯(lián)。圓型緊湊拉伸小試樣的參數(shù)C?由下式計(jì)算得到：

其中，n是冪律蠕變指數(shù)；是蠕變載荷線位移率，可由測試得到的載荷線位移率去除彈性及塑性分量獲得。

2 試驗(yàn)裝置

2.1 試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)成及其主要功能

該試驗(yàn)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，共分6大模塊：加載模塊、加熱模塊、真空模塊、位移測量模塊、裂紋長度測量模塊以及機(jī)架，如圖2所示。試驗(yàn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。每個試樣的載荷均采用獨(dú)立的砝碼施加，最大載荷為500 N，精度為1 N；溫度范圍為300~1 200 ℃，測試過程中溫度波動不超過±2 ℃，各試樣溫差不超過3 ℃；測試時可抽真空，最大真空度不高于10-3Pa；位移傳感器量程為5 mm，精度±0.1 μm。

圖2 試驗(yàn)機(jī)主機(jī)

表2 主要技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)

該試驗(yàn)裝置可以完成小沖桿試樣、固支直桿試樣、懸臂梁試樣、三點(diǎn)彎試樣的蠕變試驗(yàn)，及圓形緊湊拉伸試樣、小型緊湊拉伸試樣的蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，試樣形狀如圖3所示。其特點(diǎn)在于，可同時進(jìn)行至多6個同種類或不同種類小試樣的蠕變和蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，每個試樣的載荷均是獨(dú)立的?？稍谡婵窄h(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)以防止試樣氧化影響測試結(jié)果。亦可通入各種純氣體或混合氣體以研究氣氛環(huán)境對蠕變及蠕變裂紋擴(kuò)展性能的影響。測試過程中可連續(xù)記錄小試樣蠕變變形量隨時間的變化曲線，裂紋長度隨時間的變化曲線。

2.2 加載模塊

各類型試樣的裝夾見圖3，測試時根據(jù)小試樣類型選取相應(yīng)的夾具。各夾具呈圓周均布在加載盤上，無高度差，可以有效減小試樣之間的溫差。采用螺栓固定懸臂梁試樣及固支直桿試樣，采用銷釘裝持圓形緊湊拉伸試樣及小型緊湊拉伸試樣，如圖4所示。

圖3 試樣形式及裝夾示意圖

圖4 試樣安裝方法示意圖

壓頭和加載桿采用一體化設(shè)計(jì)，加載桿穿過試樣加載盤，在小試樣上部施加載荷。加載桿下端通過銷釘和連接桿相連，連接桿和波紋管通過螺紋連接，波紋管通過法蘭和砝碼加載桿相連，通過調(diào)整砝碼的質(zhì)量以實(shí)現(xiàn)對試樣加載。

砝碼加載桿下端為托承裝置，在未加載時，砝碼由托盤托起，托盤安裝在螺桿上，通過旋轉(zhuǎn)手輪以調(diào)節(jié)砝碼托盤的高度，實(shí)現(xiàn)載荷施加及卸除。

2.3 加熱模塊

加熱模塊采用的是對開式馬弗爐，見圖5。爐殼殼內(nèi)為圓周分布的隔熱屏，可以減少由熱傳導(dǎo)和對流傳熱引起的熱量散失，隔熱屏內(nèi)側(cè)則是多晶纖維筒可用于固定電爐絲，呈圓周分布的爐絲可更均勻給小試樣加熱，以保證各試樣上的溫度相同。為了提高保溫的效果，加熱爐的上部和下部均安裝有端座。端座內(nèi)部裝有三層扇形隔熱片。端座、端蓋和爐體之間為螺釘連接。外爐殼上裝有卡扣，可在加熱爐閉合時，鎖止左右兩半加熱爐，提高密閉性。加熱爐為兩段式控溫，兩個控溫?zé)犭娕挤謩e布置在爐膛的上部和下部，溫控表通過移相觸發(fā)的方式控制可控硅的導(dǎo)通幅度，進(jìn)而控制電爐絲兩端的電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)試驗(yàn)環(huán)境溫度的目的。爐內(nèi)還布置有6個熱電偶與試樣接觸用于實(shí)時監(jiān)測試樣溫度。

圖5 加熱模塊

2.4 真空模塊

真空室罩和底座內(nèi)部均為中空的，外部安裝有水咀接頭，可由通水冷卻。真空室罩、底座、波紋管構(gòu)成一個封閉的內(nèi)腔，連接處均設(shè)有密封槽和密封環(huán)在壓力作用下可保證密封，波紋管和底座采用法蘭連接。通過波紋管的軸向伸縮可以保證在內(nèi)部密封的情況下，實(shí)現(xiàn)加載桿的大行程的運(yùn)動。

底座上設(shè)計(jì)有管口與真空設(shè)備相連，為降低震動對測量影響，管口與真空設(shè)備間設(shè)有波紋管。采用兩級抽真空裝置，低真空采用直聯(lián)式機(jī)械泵，高真空采用擴(kuò)散泵。應(yīng)用數(shù)顯式真空計(jì)測量爐內(nèi)真空度。

為實(shí)現(xiàn)真空室罩上下運(yùn)動方便，在真空室罩外殼上安裝有鋼絲繩，鋼絲繩繞過導(dǎo)輪與配重砝碼相連接，砝碼質(zhì)量與真空室外殼相等。

2.5 位移測量模塊

位移測量模塊如圖6所示，砝碼加載桿上方安裝有托架，當(dāng)試樣發(fā)生變形時，托架會隨著加載桿一起運(yùn)動，因此托架的位移量即為小試樣蠕變的變形量。位移測量裝置采用側(cè)插懸掛式光柵位移傳感器，通過支架固定在主機(jī)架上，可以測量托架的豎直位移，即為小試樣的變形量。位移傳感器量程為5 mm，分辨率為0.1μm。6套位移測量模塊呈圓周均布在水冷下底座下方，與小試樣安裝位置對應(yīng)。

2.6 裂紋長度測量模塊

采用直流電位法檢測裂紋長度。用于測量試樣電位變化的整套設(shè)備包括了置于爐外的高精度恒流電源、數(shù)據(jù)采集器以及設(shè)在底座上的接插件。接插件一端與試樣上的鉑金導(dǎo)線相連接，另一側(cè)連接電流源與數(shù)據(jù)采集器。高精度恒流電源給試樣供電，數(shù)據(jù)采集器采集試樣上的電壓。裂紋長度與電壓存在確定的函數(shù)關(guān)系，由測得的電壓計(jì)算得到裂紋長度。裂紋長度的測量結(jié)果與橫流電源輸出電流精度、數(shù)據(jù)采集儀的精度，以及加熱爐內(nèi)溫度波動有關(guān)。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，計(jì)算得到了本試驗(yàn)裝置電位法的裂紋長度分辨力為0.01 mm。通過比較實(shí)際物理裂紋長度與電位法預(yù)測的裂紋長度發(fā)現(xiàn)，裂紋長度測量誤差小于15%。

圖6 位移測量模塊

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 懸臂梁試樣試驗(yàn)結(jié)果分析

采用Inconel 625材料制成的懸臂梁小試樣在650 ℃下進(jìn)行蠕變試驗(yàn)，試樣形式見圖3(b)，試樣厚度h0為0.95 mm，試樣寬度b為0.95 mm，加載點(diǎn)到懸臂梁根部的距離l為16 mm。小試樣蠕變位移-時間曲線如圖7所示，曲線分為兩個階段，蠕變第一階段位移速率逐漸減小，試樣快速變形。蠕變第二階段位移速率保持不變，即穩(wěn)態(tài)蠕變階段。

文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[22]采用23CrMoNiWV88材料分別得到了懸臂梁小試樣模擬和試驗(yàn)的蠕變位移-時間曲線。Inconel 625材料的試驗(yàn)結(jié)果與其具有相同的趨勢，曲線均具有蠕變第一階段和蠕變第二階段。

由圖7得到懸臂梁試樣的穩(wěn)態(tài)位移速率，采用表1中的公式計(jì)算得到對應(yīng)載荷下的等效單軸應(yīng)力和等效穩(wěn)態(tài)蠕變速率。所得懸臂梁測試結(jié)果與單軸蠕變試驗(yàn)所獲得的穩(wěn)態(tài)蠕變速率[23-24]如圖8所示。通常采用Norton方法描述穩(wěn)態(tài)蠕變性能[25]：

式中：B——材料常數(shù)，h-1·MPa-n；

n——材料常數(shù)；

σ——等效單軸應(yīng)力，MPa。

圖7 650 ℃下Inconel 625合金懸臂梁小試樣蠕變位移-時間曲線

圖8 650 ℃下Inconel 625合金懸臂梁小試樣與標(biāo)準(zhǔn)圓棒試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率比較

采用式（3）描述單軸試樣試驗(yàn)結(jié)果，其均值為B=2.73×10-31h-1·MPa-9.99，n=9.99。在圖8中繪制單軸試樣蠕變速率的分散帶。發(fā)現(xiàn)懸臂梁試驗(yàn)得到的蠕變速率均處于分散帶內(nèi)。該結(jié)果表明本試驗(yàn)裝置可較佳地測試得到材料的穩(wěn)態(tài)蠕變數(shù)據(jù)。

3.2 圓形緊湊拉伸試樣試驗(yàn)結(jié)果分析

采用Inconel 625材料制成的圓形緊湊拉伸試樣在650 ℃下進(jìn)行蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，試樣形式見圖3(e)，試樣寬度W為15 mm，試樣厚度B為2 mm，初始裂紋長度為a0為7.5 mm，載荷為420 N。

試驗(yàn)裝置記錄的圓形緊湊拉伸小試樣加載位移隨時間變化曲線、電壓隨時間變化曲線，分別見圖9和圖10。根據(jù)式（1）可得到試樣裂紋長度隨時間變化關(guān)系，對曲線求斜率得到裂紋擴(kuò)展速率。利用式（2）可計(jì)算得到斷裂參量C?。

圖9 圓形緊湊拉伸小試樣載荷點(diǎn)位移-時間的曲線

圖10 圓形緊湊拉伸小試樣電壓-時間曲線

圓形緊湊拉伸小試樣測試獲得的蠕變裂紋擴(kuò)展速率與標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣的測試結(jié)果[20]如圖11所示。蠕變裂紋擴(kuò)展性能通常采用下式[26-27]描述：

圖11 650 ℃下Inconel 625合金圓形緊湊拉伸小試樣與標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣的蠕變裂紋擴(kuò)展速率比較

其中A和q為與材料和應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)的常數(shù)。

利用式（4）描述標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣的測試結(jié)果，其均值為A=7.70，q=0.997。在圖11中繪制標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣的蠕變裂紋擴(kuò)展速率分散帶[20]?？梢钥吹剑蓤A形緊湊拉伸試樣得到的蠕變裂紋擴(kuò)展速率均處于分散帶內(nèi)。這表明通過小試樣測試獲得的蠕變裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)試樣相近，該試驗(yàn)裝置可用于小試樣蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一臺高通量小試樣蠕變及蠕變裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，可在單爐內(nèi)同時進(jìn)行多個同類或不同型小試樣的試驗(yàn)，能夠抽真空防止試樣氧化，并能精確控制溫度，準(zhǔn)確測量位移和裂紋長度。

1）該試驗(yàn)裝置具有很好的通用性，可用于試驗(yàn)的小試樣類型包括小沖桿試樣、固支直桿試樣、懸臂梁試樣、三點(diǎn)彎試樣、圓形緊湊拉伸試樣、小型緊湊拉伸試樣。解決了因試樣種類、數(shù)量不同而需要多臺設(shè)備同時工作的問題，極大程度減小了試驗(yàn)所需的空間及能耗。

2）測試結(jié)果表明，該試驗(yàn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定，試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，能夠用于研究材料的蠕變及蠕變裂紋擴(kuò)展性能。