基于压痕蠕变试验的TA2蠕变特性及变形规律分析.pdf
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1、第 卷第 期 年 月南 京 工 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版)():基于压痕蠕变试验的 蠕变特性及变形规律分析杨思晟,魏玉高,凌 祥,翟鑫钰(南京工业大学 机械与动力工程学院,江苏 南京)收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()作者简介:杨思晟(),男,副教授,:;凌祥(联系人),教授,:引用格式:杨思晟,魏玉高,凌祥,等基于压痕蠕变试验的 蠕变特性及变形规律分析南京工业大学学报(自然科学版),():,(),():摘 要:随着 在化工、海洋、电力等领域中的广泛应用,合理评价其蠕变变形对于相关设备的安全稳定运行具有重要的意义。为了探究 蠕变行为,开展不同条件下的平头压痕蠕变试验研究,分
2、析 压痕蠕变变形特性,并探究蠕变损伤对 变形规律的影响。结果表明:从 到 ,均出现显著的压痕蠕变变形。随着温度或载荷的升高,蠕变变形速率逐步增大,蠕变变形在整体变形中占比更大。在低载荷条件下,蠕变变形并不显著,但是随着温度的上升,产生显著压痕蠕变变形所需载荷会逐步下降。幂律方程可以较好地描述 压痕蠕变变形的第一阶段,且系数 具有显著的蠕变相关性。随着蠕变载荷、温度的升高,系数 逐步上升;而相比于新材料,相同条件下的蠕变损伤材料蠕变变形更小,更小。以此为基础,建立拟合参数与蠕变参数之间的关系。当蠕变变形较大时,压头下方的试样微观组织存在明显的区域性变化。在距离压头下方约 处,材料硬度上升,晶粒显
3、著变形并呈半球形分布;相似的,在上表面的接触边界区域也呈现硬度上升规律。关键词:压痕蠕变试验;蠕变特性;变形规律;蠕变损伤;微试样技术中图分类号:文章编号:(),(,):,:;相比于碳钢、低合金钢等材料,钛材具有更小的密度、优良的强度和耐腐蚀性能,因此被广泛应用于化工、电力、船舶海洋等行业中。随着近年来钛及其合金使用量的增加和设计参数的不断提高,钛制承压设备的结构完整性分析受到了广泛的关注。而在不同温度环境下,工业纯钛 也展现出了与传统工程用钢不同的特性。等和 等分别在不同温度下开展拉伸试验,证明工业纯钛 在室温和高温条件下均展现出了较高的应变速率敏感性。等证明,即使在中低温条件下 仍然呈现出
4、显著的蠕变现象并以蠕变第一阶段为主。等结合单轴蠕变试验和相续蠕变试验研究发现,在蠕变过程中存在明显的门槛应力,且其值存在显著的温度敏感性。区别于传统的拉伸载荷工况,张梦园等针对压缩载荷下 的蠕变行为开展研究,证明其存在蠕变饱和现象,并建立蠕变第一阶段参数与稳态蠕变速率间的关系。以单轴蠕变试验为代表的标准测试手段虽然可以有效表征材料性能,但是如何通过微试样评价方法实现构件蠕变性能变化的合理分析,从而满足局部区域的性能预测也受到了越来越多的重视。相比于标准单轴试样,微试样技术不仅试样体积更小,而且能够针对损伤构件的性能变化展开分析。凌祥等对 锆材开展小冲孔试验研究,证明微试样评价方法可以有效表征材
5、料的中低温蠕变特性。赵彬等针对不同损伤状态下的 铝合金开展压痕蠕变试验,结合 理论建立了蠕变剩余寿命的评价方法。邹同卫开展了钎焊接头不同区域的压痕蠕变试验研究,并结合扫描电镜等手段获取其变形后的微观组织变化。马秋林等通过标准拉伸和微试样试验开展室温蠕变变形分析,并尝试建立微试样试验参数与单轴蠕变结果间的关系,证明微试样试验技术可以有效评价 蠕变性能。随着近年来研究的逐步深入,越来越多的学者证明压痕蠕变具有代替单轴蠕变试验分析材料蠕变特性的能力。在前人研究的基础上,开展 压痕蠕变微试样试验研究,分析不同温度、载荷、蠕变损伤条件下 压痕蠕变变形规律,获取其变形特性,建立蠕变曲线分析模型,为 蠕变行
6、为的微试样评价提供理论依据。压痕蠕变试验本次研究选用工业纯钛 作为试验对象。首先,通过线切割将原始板材加工成边长 的方形试样;随后,用砂纸由粗至细逐层打磨;通过金相砂纸抛光,保证表面光滑无损伤且试样厚度均匀,最终获得 厚的压痕蠕变试样。压痕蠕变试验夹具如图 所示。由图 可知:试验前,上、下模具通过螺纹进行连接并固定试样,放置于压痕蠕变试验专用的真空加热炉内,在温度范围为 下进行压痕蠕变试验。考虑到 易氧化且中低温条件下蠕变变形不大,因此首先对加热炉内抽真空,当真空度稳定后再加热以尽量避免材料氧化对分析结果的影响。当保温足够长时间后,载荷经连接件传递至压头并向下冲压试样,获得不同工况下的压痕深度
7、 时间曲线。采用两段式压头以避免试验过程中压头产生变形,压头下段与试样接触并设计为直径 的圆柱平头。相比于球形压头,相同载荷下平头试样的应力分布相对均匀,但是变形更小。试验结果与讨论 温度和载荷对蠕变曲线的影响 及 下的 压痕深度 时间曲线如图 所示。由图 可知:即使在室温环境下 依然南 京 工 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷图 压痕蠕变夹具示意 能产生显著的蠕变变形。随着时间的延长,压痕蠕变深度增大,能够观察到显著的蠕变第一阶段;同时,随着深度的增大,变形速率逐步下降并渐渐趋于稳定。压痕蠕变曲线具有显著的载荷相关性。随着蠕变载荷的增大,蠕变变形速率逐步升高,试样的弹塑性变形和
8、蠕变变形均显著增大。值得注意的是,当蠕变载荷为 时(,压头直径为),材料在加载完成后的几个小时内蠕变深度逐步增大,随后蠕变变形不再明显变化。张梦圆等和 等分别在压缩和单轴拉伸试验中也发现了类似的情况,证明常温、低载荷下 在较长的服役周期内不会产生显著的压痕蠕变变形;然而随着温度的升高,产生压痕蠕变变形所需的最小载荷将会逐步下降,当蠕变温度为 ,蠕变载荷为 时,材料会产生显著的蠕变变形(图()。在相同载荷、不同温度下,压痕深度 时间曲线如图()所示。由图()可以发现:在 和 下,材料蠕变变形有限,压痕深度 时间曲线中弹塑性变形占比更大;而随着温度的升高,压痕蠕变变形速率显著上升,蠕变变形更为明显
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