谷 濤，胡 斌，王 強(qiáng)，孫 亮

(1.中國計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

典型金屬材料高溫蠕變剩余壽命評價方法

谷 濤1,2，胡 斌1,2，王 強(qiáng)1，孫 亮2

(1.中國計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

高溫蠕變是影響金屬結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，而對金屬材料高溫蠕變壽命的評價則是工業(yè)安全生產(chǎn)的重要組成部分.文章介紹三類常用的蠕變壽命評價方法:持久強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)外推法，微觀組織分析法，超聲波測定法，并對其原理、表征參數(shù)、國內(nèi)外的研究進(jìn)展、優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為綜合運(yùn)用這三類方法對高溫蠕變狀態(tài)評價及剩余壽命預(yù)測是當(dāng)前采用的主要方式.最后，通過分析與比較，指出了非線性超聲技術(shù)具有靈敏度高、在線無損檢測等優(yōu)點(diǎn)，是高溫蠕變評價未來發(fā)展的重要方向.

高溫蠕變；剩余壽命評價方法；非線性超聲

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的工業(yè)設(shè)備需要在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下長期運(yùn)行，這就不可避免地會產(chǎn)生不同程度的蠕變損傷.在微觀層面，蠕變導(dǎo)致位錯的滑移和密度的改變、空洞的粗化和增殖、析出相和晶粒尺寸的改變等，這些微觀變化會引起材料塑性變形，產(chǎn)生微裂紋，使得材料硬度及強(qiáng)度也會隨之改變，承載力降低，最終導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)失效.蠕變一般經(jīng)歷初始蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變?nèi)齻€階段，對于蠕變的第三個階段，力學(xué)理論已經(jīng)能夠很好地解決.而研究者對占結(jié)構(gòu)壽命周期80%的第一、二階段還難以準(zhǔn)確判斷.

目前，國內(nèi)外對蠕變的研究主要集中在蠕變損傷狀態(tài)的檢測方法和蠕變剩余壽命的評估，以及蠕變微觀組織的觀察及蠕變損傷微觀模型的建立和蠕變損傷的仿真計(jì)算等幾個方面.然而，對金屬蠕變損傷狀態(tài)的檢測還沒有形成一種成熟的檢測方法用到實(shí)際的現(xiàn)場檢測，許多檢測方法尚處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段.因此，如何對工業(yè)設(shè)備進(jìn)行可靠的蠕變狀態(tài)檢測、對材料蠕變剩余壽命進(jìn)行評估，以期盡早發(fā)現(xiàn)蠕變損傷嚴(yán)重區(qū)，快速有效地對蠕變損傷區(qū)進(jìn)行分析及預(yù)測蠕變的剩余壽命，找到減慢材料蠕變的方法：保證工業(yè)設(shè)備安全、穩(wěn)定、長時間持續(xù)運(yùn)行，已成為急需解決的實(shí)際問題.因此發(fā)展材料蠕變剩余壽命的評估方法，對材料早中期蠕變狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)檢測具有重大的意義.

本文總結(jié)了三類常用的蠕變壽命的評價方法，以短時的持久強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)外推得到長時的蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為思想的持久強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)外推法；以材料高溫蠕變微觀組織變化機(jī)理為基礎(chǔ)的微觀組織分析法；以檢測材料結(jié)構(gòu)性能參數(shù)變化為基礎(chǔ)的超聲波測定法.

1 持久強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)外推法

持久強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)是在專用的蠕變或持久試驗(yàn)機(jī)上承受恒定溫度和恒定載荷測定試樣的蠕變斷裂時間的方法.在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，構(gòu)件往往受到的應(yīng)力比較小，溫度也是在蠕變溫度極限之下，這種真實(shí)的條件下來測定構(gòu)件的蠕變壽命，需要經(jīng)歷漫長的時間.為了縮短試驗(yàn)時間，必須進(jìn)行加速試驗(yàn)，即加大構(gòu)件所受應(yīng)力和試驗(yàn)溫度得到較短時間的應(yīng)力、溫度與斷裂時間的關(guān)系，最后用外推的方法來預(yù)測長時間三者間的關(guān)系進(jìn)而預(yù)測構(gòu)件的剩余壽命.經(jīng)過幾十年的發(fā)展，持久強(qiáng)度試驗(yàn)壽命外推法的發(fā)展大體經(jīng)歷了以下幾個階段[1-2]:等溫線外推法，Larson-Miller 參數(shù)法，θ函數(shù)法.

1.1 等溫線外推法

等溫線外推法是在恒定的試驗(yàn)溫度加載不同的應(yīng)力，得到短時的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而建立金屬構(gòu)件斷裂時間和加載應(yīng)力之間的關(guān)系，從而外推該試驗(yàn)溫度下的長時的數(shù)據(jù)[3].1934年White和Clarke提出金屬材料在特定的溫度下應(yīng)力σ與斷裂時間τ的公式[4]

τ=Aσ-B.

(1)

σ為應(yīng)力，τ為斷裂時間，A為材料有關(guān)的常數(shù)，B為指數(shù)項(xiàng).

通過取對數(shù)得到

lgτ=lgA-Blgσ.

(2)

采用等溫線外推法得出的結(jié)果是近似的數(shù)值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也不完全符合對數(shù)坐標(biāo)下的線性關(guān)系，而是多次轉(zhuǎn)折曲線組成的直線.通過長期的實(shí)驗(yàn)研究表明:不同的試驗(yàn)溫度和不同的試驗(yàn)材料，曲線的形狀和轉(zhuǎn)折點(diǎn)是不一樣的.具有穩(wěn)定組織的鋼結(jié)構(gòu)曲線轉(zhuǎn)折不明顯，較符合外推算法得到的線性關(guān)系；不穩(wěn)定組織的鋼結(jié)構(gòu)曲線轉(zhuǎn)折明顯，與外推算法得到的數(shù)據(jù)有較大的誤差[5]，因此等溫線外推法更適合穩(wěn)定鋼結(jié)構(gòu).

等溫線外推法簡單，容易操作，對于穩(wěn)定的鋼組織結(jié)構(gòu)，能夠獲得理想的較接近實(shí)際的外推數(shù)據(jù)，但是方法粗略，從而導(dǎo)致外推精度不高[6].鐵素體耐熱鋼在高溫運(yùn)行10萬小時后強(qiáng)度會發(fā)生非線性下降，顯然線性的等溫線外推法難以預(yù)測慢速蠕變的過程[7].

1.2 Larson-Miller 參數(shù)法

拉森-米勒于1952年提出了Larson-Miller 參數(shù)法[8]，建立了溫度、應(yīng)力和蠕變斷裂時間三者的定量關(guān)系，如式(3).他認(rèn)為應(yīng)力一定時，溫度與蠕變斷裂時間是等效關(guān)系或者是補(bǔ)償關(guān)系，即對于一定的斷裂應(yīng)力對應(yīng)唯一一個關(guān)系P[9]. Larson-Miller 參數(shù)法的中心思想是:對構(gòu)件施加大的應(yīng)力載荷，較高的溫度T，短的蠕變斷裂時間Tr得到小的應(yīng)力，低的溫度，長時間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而外推構(gòu)件的剩余壽命.

P=T(lgTr+C).

(3)

P為Larson-Miller參數(shù)，C為常數(shù).其中

T(c+lgtr)=c+a1lgσ+a2lg2σ+a3lg3σ.

(4)

總的來說，Larson-Miller 參數(shù)法是等溫線外推法的一種推廣，等溫線外推法只能得到該試驗(yàn)溫度下的外推數(shù)據(jù)，而Larson-Miller 參數(shù)法則可提供任意溫度下的長時數(shù)據(jù)[10].這種以大量持久數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行線性回歸分析的外推方法，預(yù)測結(jié)果精準(zhǔn)，因此被廣泛采用[11].但也存在三方面的不足:1)根據(jù)確定的斷裂時間和溫度帶入代入L-M參數(shù)式，計(jì)算出相應(yīng)的熱強(qiáng)參數(shù)P值，再根據(jù)P值的大小，在綜合參數(shù)曲線圖上查出相應(yīng)的應(yīng)力值，最后再利用參數(shù)表達(dá)式推知其斷裂時間.這種作出綜合參數(shù)曲線圖并查值的方法必然帶來人為因素的誤差；2)持久實(shí)驗(yàn)是有損實(shí)驗(yàn)，造成了大量的人力和物力的浪費(fèi)；3)對試驗(yàn)材料的性能要求較高.顯微組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及試驗(yàn)條件的變化帶來了較大的試驗(yàn)誤差，微裂紋和空洞的產(chǎn)生也會導(dǎo)致試驗(yàn)可靠性的降低.

1.3θ-函數(shù)法

θ-函數(shù)法是由 Evans 和 Wilshire[12]在20世紀(jì)80年代提出的.與等溫線外推法和Larson-Miller 參數(shù)法不同的是，θ-函數(shù)法用建立的數(shù)學(xué)模型描述整個蠕變過程，并得到材料的蠕變曲線[13].整個蠕變過程綜合考慮了材料的軟化和硬化，根據(jù)短時的條件下的高應(yīng)力蠕變曲線外推長時蠕變曲線，擴(kuò)大了外推的范圍.θ-函數(shù)法蠕變應(yīng)變ε的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

ε=ε0+θ1(1-e-θ2t)+θ3(eθ4t-1).

(5)

式(5)中θ1、θ3分別為蠕變第一、三階段的應(yīng)變，θ2、θ4分別為蠕變第一、三階段的應(yīng)變速率參數(shù)，ε0為彈性形變，t為蠕變時間.通過公式我們可以看出， Evans 和 Wilshire把蠕變過程實(shí)際看成第一階段和第三階段組成，蠕變的第二階段穩(wěn)態(tài)蠕變被當(dāng)做是不存在的.θi與蠕變溫度、應(yīng)力存在以下的關(guān)系:

lgθi=ai+biT+ciσ+diσT.

(6)

ai、bi、ci和di是材料本身性質(zhì)參數(shù)，與蠕變溫度和應(yīng)力無關(guān).根據(jù)(6)式可以計(jì)算出任意溫度下的θi值，也可以得到任意溫度和時間下的蠕變曲線，不受外推區(qū)域材料蠕變機(jī)制的改變引起的影響，可以根據(jù)高應(yīng)力水平條件下蠕變的數(shù)據(jù)預(yù)測低應(yīng)力長時間段的數(shù)據(jù)[14].這就克服了斷裂機(jī)制的改變造成預(yù)測準(zhǔn)確度降低的缺點(diǎn)，用來處理不同斷裂機(jī)制下的耐熱鋼蠕變壽命預(yù)測問題取得了很好地效果，擴(kuò)大了外推范圍[15].Larson-Miller 參數(shù)法所預(yù)測的是材料蠕變斷裂的時間，不能得到材料所產(chǎn)生的變形量，而θ-函數(shù)法很好地解決了這個問題，但是θ-函數(shù)法獲得的材料變形量公式有適用范圍，對多晶銅就非常適用，對有些材料就不適用，如IN-100[16-17].由于θ-函數(shù)法對耐熱鋼材料進(jìn)行蠕變壽命預(yù)測具有很高可靠性，故被許多學(xué)者在數(shù)據(jù)分析中采用[3,14].

2 微觀組織分析法

2.1 金相法

金屬高溫蠕變過程也是微觀組織演化過程.金相法正是從材料蠕變損傷的微觀角度出發(fā)，通過觀察晶界空洞的變化與碳化物顆粒的尺寸等微觀變化，來評定蠕變狀態(tài)進(jìn)而預(yù)測高溫蠕變壽命.

隨著計(jì)算機(jī)和圖像識別技術(shù)的進(jìn)步，定量金相法將這些先進(jìn)技術(shù)成功地運(yùn)用到高溫蠕變的研究之中，很好地克服了傳統(tǒng)金相法的局限，一些成果也相繼產(chǎn)生，如面積測定比較法、分型法等.這些方法的主要思想是通過圖像識別技術(shù)、數(shù)學(xué)算法，對組織變化特征進(jìn)行定量計(jì)算分析，從金相上獲得的蠕變損傷狀態(tài)信息與壽命評估模型聯(lián)系起來.如測得的空洞尺寸、多少、形態(tài)等與蠕變壽命聯(lián)系起來，通常采用的方法為空洞面積率法.人們在對高溫多晶合金的高溫蠕變的研究中發(fā)現(xiàn)，高溫蠕變伴隨著空洞的成核、生長、增殖等過程，并且空洞晶界的面積分?jǐn)?shù)與損傷量具有定量關(guān)系，從而提出了用金相參數(shù)來評價空洞損傷狀態(tài).

需要注意的是，在采用金相法對高溫蠕變狀態(tài)進(jìn)行評價和判斷時，需要清楚材料組織變化和失效機(jī)理.只有知道在蠕變壽命各個階段材料的組織特征和變化規(guī)律，才能為以后蠕變損傷狀態(tài)和壽命評估提供比較，進(jìn)而預(yù)測蠕變壽命.Ballaa等人[18]采用空洞面積率金相法對HK-40爐管進(jìn)行蠕變損傷狀態(tài)研究時，發(fā)現(xiàn)在蠕變的第二階段，空洞數(shù)量隨蠕變時間推遲，蠕變損傷裂紋增加；而在第三階段，空洞數(shù)量反而減少，蠕變損傷裂紋繼續(xù)增加.因此空洞面積率金相法適用于蠕變第一二階段，限定了其適用范圍.而且由于有些顯微組織分布不均勻，也使得金相法的定量非常困難.

2.2 硬度分析法

隨著金屬材料微觀組織的變化，其硬度也會隨之變化.如30Cr1Mo1V 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在長期使用過程中的碳化物的聚集、粗化及基體含碳量降低，使得金屬硬度降低[19-21].硬度是反應(yīng)材料綜合性能的一個物理量，與材料的屈服極限、彈性模量及原子之間的相互作用和結(jié)構(gòu)組織成分都有緊密的聯(lián)系.高溫蠕變與材料硬度有著共同的因素影響，因此可以通過測量硬度變化來反映高溫蠕變損傷狀況，評估金屬材料性能的變化趨勢.不同的硬度值對應(yīng)著金屬高溫蠕變損傷的不同狀態(tài)，從而將蠕變時間、應(yīng)力及溫度和硬度聯(lián)系起來，達(dá)到對蠕變剩余壽命的評估.

目前有兩種常用的硬度測試方法:顯微硬度測試和納米壓痕測試.顯微硬度測試是用一定的載荷將四棱金剛石椎體(相對夾角136°)壓入試樣表面，通過測量壓痕對角長度得到壓痕表面積，載荷的大小與求得的表面積之比就是單位壓痕面積的平均載荷，即為顯微硬度值.顯微硬度法無法從復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)中將基體區(qū)分出來，也就難以獨(dú)立的觀測基體長時間高溫蠕變強(qiáng)度的變化.納米壓痕技術(shù)在分析壓痕的載荷-位移曲線的基礎(chǔ)上直接測量微小單元的硬度，得到基體強(qiáng)度，從而克服了顯微硬度法的缺點(diǎn)，可以有效測量亞微米基體的硬度.

Mukhopadhyay S. K.[22]于2009年將硬度法評價材料高溫蠕變剩余壽命進(jìn)行了微觀解釋，認(rèn)為微觀結(jié)構(gòu)的變化決定了材料宏觀硬度的變化.并提出了蠕變溫度、應(yīng)力是影響Larson-Miller參數(shù)-硬度曲線重要因素，從而驗(yàn)證了Larson-Miller參數(shù)-硬度的正確性.2013年，Masuyama F.[23]等分析了珠光體、硬度等在蠕變過程中的變化，建立了硬度預(yù)測蠕變壽命的模型，解釋了硬度影響蠕變剩余壽命的微觀機(jī)理.硬度法預(yù)測蠕變壽命由此經(jīng)歷了由經(jīng)驗(yàn)到理論支撐的過程，微觀理論解釋增加了硬度法的可信度.硬度法具有操作簡單快捷、能夠用于現(xiàn)場高溫蠕變在線檢測的優(yōu)勢.

3 超聲波測定法

3.1 線性超聲法(超聲聲速法、超聲衰減法)

線性超聲檢測中認(rèn)為材料是線性的，超聲波與材料微觀結(jié)構(gòu)相互作用而引起超聲波傳播能量的衰減和傳播速度的變化.因此材料的表征有兩個參量:與傳播介質(zhì)散射和吸收有關(guān)的超聲衰減以及與材料自身的參數(shù)(材料密度、彈性模量)有關(guān)的傳播速度.

超聲衰減主要包含散射衰減和吸收衰減兩部分.散射衰減主要由于材料各向異性和組織不均勻性.吸收衰減是由于介質(zhì)粘滯性、導(dǎo)熱性、彈性滯后等造成的，超聲在金屬材料中的衰減主要是散射衰減.且由于超聲波長大于晶粒尺寸，故瑞利散射成為了超聲衰減的主要原因.根據(jù)瑞利公式中晶粒尺寸與超聲波頻率和波長的關(guān)系，得出超聲衰減法可以檢測晶粒尺寸[24]，也就可以表征高溫蠕變中析出相的變化規(guī)律.由以上的實(shí)驗(yàn)和理論分析可知:可以通過測定超聲衰減系數(shù)對蠕變壽命進(jìn)行評估及對蠕變狀態(tài)進(jìn)行檢測.Toshihiro Ohtani[25]利用316L鋼進(jìn)行了高溫蠕變實(shí)驗(yàn)，得到了超聲衰減系數(shù)隨蠕變損傷程度的變化規(guī)律.研究表明，超聲衰減系數(shù)隨蠕變的時間的增長而有規(guī)律地增大且與蠕變壽命百分?jǐn)?shù)有很好的關(guān)聯(lián).我國也有很多學(xué)者對超聲衰減系數(shù)與蠕變過程的關(guān)系進(jìn)行了研究，找到了兩者之間的變化規(guī)律.邢玉生[26]等利用超聲衰減系數(shù)對在役HK40爐管蠕變損傷等級進(jìn)行了評定，指出組織結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致聲衰減增大.天津大學(xué)董志勇、胡金榜[27]利用超聲衰減法對SA387CH1C12化工廠加氫反應(yīng)器高溫蠕變損傷狀態(tài)進(jìn)行評估，給出了衰減系數(shù)與損傷狀態(tài)的變化規(guī)律.

蠕變過程會導(dǎo)致材料微觀組織的變化，如孔隙度和晶粒的大小、析出物的種類等，進(jìn)而影響材料密度和彈性模量等物理量的變化，導(dǎo)致超聲波波速的變化，也就為超波波速來檢測蠕變狀態(tài)提供了檢測依據(jù).波速在無限大固體中的計(jì)算公式為[28]

(7)

(8)

式(7)(8)中CL為縱波波速，CS為橫波波速，μ為泊松比，ρ為材料密度，E為彈性模量.

早在1997年Tomohiro Morishita[29]利用銅材料進(jìn)行了高溫蠕變試驗(yàn)，指出超聲波速隨孔隙度的增加而單調(diào)遞減.蠕變后期，由于裂紋及塑性變形，超聲波速衰減明顯. Kim CS[30]利用9-Cr-1Mo-V-Nb鋼研究蠕變疲勞作用狀態(tài)下,超聲傳播速度與材料微結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系，指出超聲傳播速度明顯經(jīng)歷三個階段：第一階段位錯密度減少導(dǎo)致波速明顯增加；第二階段波速緩慢增加則是由于晶格扭曲減少；第三階段孔洞的產(chǎn)生導(dǎo)致波速減小.從而證明了超聲波速法能應(yīng)用于蠕變疲勞評價.

上述研究表明:超聲波速法和超聲衰減法都能夠?qū)Ω邷厝渥儬顟B(tài)進(jìn)行評估，但是在線性范圍內(nèi)測定的聲速和衰減系數(shù)對材料的早中期蠕變損傷變化并不是十分敏感.波的傳播和材料的極化偏振等因素都會導(dǎo)致波速的變化，且材料形狀、壁厚等也會影響波速測量的準(zhǔn)確性，這些都限制了線性超聲在蠕變檢測中的應(yīng)用.

3.2 電磁超聲諧振法

電磁超聲諧振法(EMAR)也是測定超聲波在金屬中的衰減系數(shù)的一種方法，它克服了傳統(tǒng)的傳感器測量的衰減系數(shù)不能夠靈敏準(zhǔn)確地反映蠕變的狀態(tài)的不足，從而可以對高溫蠕變狀態(tài)進(jìn)行精確的檢測.

電磁超聲諧振法是一種新興的非接觸式無損檢測超聲光譜技術(shù).主要用于金屬的檢測[31].由電磁超聲換能器和超外差分光計(jì)兩部分組成[32].電磁超聲換能器利用電磁耦合激發(fā)和接收超聲波.超外差分光計(jì)主要是對電磁超聲接收信號進(jìn)行去噪處理，改善信號質(zhì)量.電磁超聲諧振法的工作原理為[33]:高頻電流通過置于被測金屬表面的線圈，就會在被測金屬表面產(chǎn)生渦流.在外加磁場的作用下，渦流電子受到洛倫茲力作用與金屬原子碰撞，產(chǎn)生往復(fù)振動并以一定形式傳播出去形成超聲波.接收的過程是激發(fā)過程的逆過程.利用振蕩器產(chǎn)生的振蕩波與輸入波混頻處理，產(chǎn)生確定的頻率波來檢測諧振頻率和衰減系數(shù).

EMAR具有的非接觸式無需耦合劑的優(yōu)點(diǎn)，消除了傳統(tǒng)超聲測量接觸式需耦合劑所帶來的環(huán)境及能量損失等引起的誤差，實(shí)現(xiàn)了對材料中波速及衰減系數(shù)高精度測量，測量效率高.國內(nèi)外學(xué)者利用EMAR對高溫蠕變的壽命分?jǐn)?shù)與超聲衰減系數(shù)關(guān)系進(jìn)行了研究.Ohtani等人[34-37]用鎳基超級合金在1073K溫度受拉伸應(yīng)力的作用下研究得到:衰減系數(shù)在高溫蠕變壽命分?jǐn)?shù)的35%～40%出現(xiàn)峰值.衰減系數(shù)的變化伴隨著位錯及析出相的變化.西北大學(xué)郝巧娥[38]利用EMAR技術(shù)對不同蠕變程度的P91鋼的衰減系數(shù)進(jìn)行了檢測，指出衰減系數(shù)在壽命分?jǐn)?shù)10%～20%時出現(xiàn)波谷是蠕變第二階段開始的標(biāo)志；壽命分?jǐn)?shù)35%～50%出現(xiàn)波峰則表明蠕變第二階段結(jié)束；壽命分?jǐn)?shù)65%～80%再次出現(xiàn)波谷，此時蠕變狀態(tài)為第三階段中期.再次證明了衰減系數(shù)與蠕變壽命分?jǐn)?shù)是相關(guān)的.然而，EMAR的換能器效率低，接收到的信號非常弱，信噪比低等，這些都是制約電磁超聲諧振法發(fā)展的重要因素.

3.3 非線性超聲法

蠕變過程總是伴隨著材料內(nèi)部位錯、析出相、空洞、微損傷等微觀結(jié)構(gòu)的變化，以致加大了材料的非線性行為，引發(fā)了超聲波傳播非線性的變化[39-40]，即產(chǎn)生高頻諧波.非線性超聲波檢測就是通過研究位錯、析出相和空洞的相互作用來檢測蠕變損傷，同時通過非線性系數(shù)來與蠕變的壽命分?jǐn)?shù)建立關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測蠕變剩余壽命.

由固體材料的非線性可以得到應(yīng)力σ與應(yīng)變ε之間的關(guān)系:

(9)

式(9)中E為彈性模量，β、δ為與材料相關(guān)的非線性系數(shù).

超聲波在拉格朗日坐標(biāo)系下一維波動方程為

(10)

式(10)中ρ為密度，u為x方向上的質(zhì)點(diǎn)位移.在材料變形非常小時，x方向上的形變?yōu)?/p>

(11)

聯(lián)立式(9)(10)(11)可以得到質(zhì)點(diǎn)的位移方程

(12)

對一維入射波

u(0,t)=A0sinωt.

(13)

得到方程(10)的近似解

u(x,t)≈A0sin(kx-ωt) +

(14)

式(14)中k為波數(shù)，ω為頻率；由式(14)得基波與二次諧波的幅值為

A1=A0，

(15)

(16)

非線性系數(shù)β:

(17)Baby[39]等利用鈦合金IMI834研究了高溫蠕變時超聲非線性系數(shù)與蠕變壽命的關(guān)系，并對試樣進(jìn)行了顯微組織觀察，找出了非線性系數(shù)變化的微觀原因.指出非線性系數(shù)β先隨著蠕變壽命推遲而增大，蠕變壽命分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時到達(dá)最高點(diǎn)，隨后開始減小，非線性系數(shù)β最高時是初始狀態(tài)的200%.蠕變過程中空洞體積分?jǐn)?shù)增大使非線性系數(shù)β變大，非線性系數(shù)β減小是由于蠕變后期空洞的結(jié)合.Valluri等人[41]Narayana等人[42]在對銅的非線性超聲波持續(xù)高溫蠕變檢測中，利用二次諧波和三次諧波定義的非線性系數(shù)進(jìn)行蠕變狀態(tài)表征，指出三次諧波對蠕變更加敏感.Kim[43-44]對IN738合金進(jìn)行了高溫蠕變過程中非線性超聲檢測，指出γ′相的粗化和筏化導(dǎo)致非線性系數(shù)隨蠕變壽命的增加而單調(diào)增加.且在蠕變時間一定時，蠕變應(yīng)力和蠕變溫度越大，非線性系數(shù)也就越大.對材料12Cr鋼進(jìn)行研究時實(shí)驗(yàn)結(jié)果與IN738合金恰好相反，非線性系數(shù)是單調(diào)減小的.并指出單調(diào)減小是由于位錯密度和析出相較小引起的.華東理工大學(xué)張萌[45]利用非線性超聲縱波對汽輪機(jī)鎳基IN783螺栓材料及汽輪機(jī)FB2鐵素體材料進(jìn)行了蠕變損傷狀態(tài)的表征實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:非線性參量變化與蠕變變形、蠕變損傷狀態(tài)存在函數(shù)關(guān)系，并與位錯-析出相模型預(yù)測結(jié)果大體一致.

清華大學(xué)原可義[46-47]對P91鋼焊縫熱影響區(qū)蠕變超聲敏感參數(shù)選擇問題進(jìn)行了研究，指出4種參數(shù)可作為P91鋼蠕變敏感參數(shù)，討論了使用脈沖超聲實(shí)現(xiàn)非線性檢測的方法，即利用超聲檢測信號高頻段與低頻段的能量之比作為非線性的表征.分析了衰減對非線性檢測的影響，并根據(jù)頻率-衰減關(guān)系對非線性參數(shù)的計(jì)算方法做出了修正.

綜上所述:非線性超聲高溫蠕變檢測對材料蠕變狀態(tài)具有很高的靈敏度，能夠預(yù)測材料的高溫蠕變的剩余壽命，并能夠進(jìn)行現(xiàn)場在線檢測.但也遇到了一些需要解決的問題[48-49]:1)不同材料具有不同的非線性系數(shù)變化規(guī)律，對銅、鋁等簡單純金屬材料研究較多，對復(fù)雜的合金研究較少；2)在微觀理論模型方面還很少，金屬晶體有位錯單極子和位錯偶極子模型，需要進(jìn)一步研究；3)在檢測波方面，主要集中在一維縱波檢測，很少涉及更高維數(shù)的縱波和橫波.

4 結(jié) 語

金屬高溫蠕變狀態(tài)檢測與剩余壽命評價方法在最近幾十年迅速發(fā)展，一些新技術(shù)新方法相繼產(chǎn)生并開始運(yùn)用[50-51]，為工業(yè)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要保障.但是至今為止還沒有形成一種可靠的高溫蠕變評價方法.現(xiàn)在的研究主要是在實(shí)驗(yàn)室中利用持久強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)外推法預(yù)測試件的剩余壽命，再定期現(xiàn)場取樣進(jìn)行微觀組織分析(金相分析、硬度分析等)，以確定材料的微觀蠕變變化，并用超聲波測定法等其他手段對蠕變狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時檢測.表1列出了本文中各種蠕變剩余壽命評價方法相比較的大致情況.

表1 幾種評價方法比較

如表1，通過對比總結(jié)這幾類常用的蠕變壽命評價方法得到以下幾個結(jié)論:

1)持久強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)外推法需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，浪費(fèi)了巨大的人力和物力，且由實(shí)驗(yàn)室小的試塊、短時的試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推得到長時的數(shù)據(jù)，預(yù)測得到的蠕變壽命與實(shí)際壽命有較大的誤差且外推的壽命往往不會超過10萬小時.所以對工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備的蠕變狀態(tài)進(jìn)行定時檢測是十分必要的.

2)微觀結(jié)構(gòu)分析法對結(jié)構(gòu)的早期蠕變能夠很好地評價，但是要以掌握各種金屬材料微觀組織變化規(guī)律為前提.不同的高溫材料的高溫蠕變機(jī)理不同，導(dǎo)致材料的微觀結(jié)構(gòu)變化不同.再者，傳統(tǒng)的金相法，只能對材料微觀變化進(jìn)行定性描述，現(xiàn)代金相技術(shù)很好地克服了這一限制，實(shí)現(xiàn)了微觀定量分析.

3)超聲波測定法是目前評價高溫蠕變剩余壽命的研究熱點(diǎn)，主要是因?yàn)樵摲椒軌驅(qū)崿F(xiàn)無損在線檢測.線性超聲法和電磁超聲諧振法都是以測量超聲衰減系數(shù)為基礎(chǔ)來反映材料的蠕變狀態(tài)，但在早期的蠕變中，衰減系數(shù)變化較小，線性超聲法對其變化不敏感.電磁超聲諧振法對衰減系數(shù)高靈敏度和非接觸的特性在蠕變壽命評價中具有很大的優(yōu)勢.非線性超聲法中非線性系數(shù)的靈敏度要比電磁超聲諧振法中對衰減系數(shù)的靈敏度要高，因此非線性超聲法的發(fā)展更有前途.

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Assessment of creep residual life for typical metal materials at elevated temperatures

GU Tao1,2, HU Bin1,2, WANG Qiang1, SUN Liang2

(1.College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 2.China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

High temperature creep is one of the main causes for the failure of metal structures, and the evaluation of the high temperature creep life of metal materials is an important part of industrial safety production. Three creep life evaluation methods, namely, the persistent strength experiment extrapolation method, the microstructure analysis method and the ultrasonic measurement method, were introduced.The principle, the characterization parameters, the research progress both in China and overseas, the advantages and disadvantages were summarized. It concluded that the application of these methods to the evaluation of the high temperature creep state and the residual life prediction is the main method adopted at present. Based on the analysis and comparison of these methods, we point out that the nonlinear ultrasonic technology has the advantages of high sensitivity and nondestructive online testing, which is the direction of the development of high temperature creep evaluation in the future.

high temperature creep; residual life evaluation method; nonlinear ultrasonic

2096-2835(2017)02-0176-09

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.02.007

2017-02-13 《中國計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)(No.2016YFC0801903).

谷濤(1991- )，男，山東省泰安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o損檢測技術(shù). E-mail：1098825569@qq.com 通信聯(lián)系人：胡斌，男，研究員. E-mail:hubin@csei.org.cn

TG115.28

A