SUS310S的高温持久性能实验研究

一重技术热加工

SUS310S的高温持久性能实验研究

杨照明1

摘要：以SUS310S为研究对象，在高温持久试验机上测定了SUS310S钢在800~1100℃时的高温持久强度，采用时间-温度参数法求出不同温度下的持久强度，以及通过高温短时实验来推测低温长时间下的持久强度。最后用最小二乘法处理后得出曲线，再用外推法求出持久强度极限。关键词：奥氏体耐热不锈钢；SUS310S；高温持久强度中图分类号：TG113.2

文献标识码：B文章编号：1673-3355（2009）03-0016-04

对某些高温零件，如锅炉中的过热器管，不仅需要良好的抗氧化性能，有时还要承载一定的

应力，这就需要有良好的高温持久性能，在设计时主要以持久强度为依据。为了获得材料的持久强度，必须进行长时期的实验。而应用外推方法可以大大缩短实验时间，关于外推法的研究主要从两个方面进行：一是从总结出的金属材料实验数据，找出经验关系式，用以外推长期的结果；二是从研究持久强度和高温持久强度的微观过程出发，建立应力、温度和断裂时间的关系式，用以指导外推。目前应用较为广泛的方法有：时间-温度参数法和等温线外推法。

图1

高温持久试验机

1实验过程与设备

本实验是在北京航空材料研究院高温蠕变和持久试验室完成的，试验设备为拉伸蠕变持久试验机，试验机所加的载荷为静载荷，利用杠杆原理加载（见图1、图2）。

将一个试样在某一温度下加上某一适当的应力（静载荷）直到试样断裂为止，记录下断裂的时间，到此算得到一个数据点，一个数据点需要一个试样。在五个以上的适当的应力水平进行等温持久试验，至少有三个应力水平每组做出三个数据，用最小二乘法处理后得出曲线。再用内插法或外推法求出持久强度极限。最后得出温度与

图2高温持久试验机控制台

持久强度的关系曲线（至少要取3

个温度

）。

根据参考文献的资料选取适当的应力水平，以保证数据的均匀性，以免数据过于集中。

1.一重集团大连设计研究院助理工程师，辽宁

大连116600

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2等温线法外推的计算方法

式中，△=

n

n

Σx

1ni

i

在给定的温度下，使材料经过规定的时间发生断裂的应力叫持久强度。有些零件如过锅炉过热器管，对蠕变速度的限制不严，但必须保证在使用期限内不致破坏。这些零件的主要设备依据便是持久强度[1]。

在锅炉，气轮机和燃气机制造中，机组的设计寿命一般为数万以至十万小时，这就要根据相应时间的持久强度来进行设计。而材料的持久强度试验当然不可能都进行那么长时间。实际上都是由一些时间较短的试验点，根据经验公式，用外推方法求得长时间的持久强度。具体做法上有参数法，对数法等，分别以提高试验温度和加大试验应力来缩短试验时间。

下面仅以对数法外推做一些简要叙述。应用较多的对数法经验公式有两种：

τ＝Aσ-B!!!!!!!!!!!!!!(1)τ＝Ce-Dσ!!!!!!!!!!!!!!(2)式中，A，B，C，D是与试验温度，材料有关的常

数。

将(1)和(2)两式两端分别取对数，则有

lgτ=lgA-Blgσlgτ=lgC-Dσlge

!!!!!!!!!!!(3)!!!!!!!!!!!(4)

ΣxΣx

1

1

2i

3时间-温度参数法的计算方法

这种方法是五十年代发展起来的一种外推持久

强度的方法，它指出温度和时间的相互关系，可找到某一参数P的数学表达式来表示。它是这一过程联系温度和时间的函数，参数P本身又是应力的函数，即只要金属材料所承受的应力σ不变，对于温度T的时间τ的各种组合，参数P始终保持不变。即P=P(σ)＝常数。参数式可以写成如下的一般形式：

!!!!!!!!!(6)

具体的参数关系式很多，L-M参数法是一种应用最广泛的外推法，它是1952年由Larson-Miller提出的，基本思想认为温度T(K)与断裂时间有补偿关系，即对一定的断裂应力，温度与时间是等效的，一也就是说，对于一定断裂应力，只对应一个P。这个关系可以用L-M参数PL-M来表示。利用加速实验条件下的蠕变断裂数据进行应力外推，获得使用条件下的PL-M，然后计算出断裂时间。基本关系式是：

-3

Σ!!!!(7)lgσ=fΣPL-MΣ=fΣ10TΣC+lgτΣ

P=P(σ)＝f(T,τ)

从式(3)出发，可以从较短时间的试验数据外

推出长时间的持久强度值[2]。通常用8～10根试样，求出不同应力下的断裂时间，即可进行外推。一般认为外推到一个数量级（即外推到最长试验时间的十倍）得到的外推值是较可靠的[3]。

在式(3)中，令y=lgσ，x=lgτ，a=lgA，b=-1将方程(3)化为标准直线方程y=a+bx，用最小二乘法处理得：

a=1式中，σ—施加的应力；PL-M—L-M参数；T—绝对

温度；τ—蠕变断裂时间；f—函数关系；C—L-M常数，不同的材料有不同的数值，对于许多钢种均可取C=20，这样产生的误差在±10%以内。

根据实验测得的断裂时间和实验温度可算出实验应力、温度条件下的PL-M，然后画出lgσ-PL-M曲线，即可用图示形式表示σ、T、τ三者关系图，当知道了使用条件下的应力后，就可以确定PL-M，根据上式算出使用条件下的τ，这个方法对新材料或用过的材料都是适用的。

对于使用过的材料，由于其断裂强度低于原始材料，实验点必落在原始材料点的左下方，把不同

ΣyΣx

1

i

1

n

n

1

ii

1

nn

i

ΣxyΣx

n

n

2i

b=1Σy

1ni

1

i

n

i

!!!!!!!!(5)

i

ΣxΣxy

1

应力的实验点连成线，使其走向与原始材料的主曲线等距，就构成了用过材料的lgσ-PL-M曲线图，根据这个图就可以确定用过材料的剩余寿命。

这种外推法主要优点是使用方便，适用范围

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图4SUS310S不锈钢800~1100℃

表1800℃PL-M和lgσ数据表

在双对数坐标下的高温持久强度曲线

表2

温度/℃800800800800800800800800

SUS310S不锈钢高温持久实验原始数据

应力/MPa12010090858070605548858065504035

时间/h5.6719.1729.0845.0060.92128.00225.08390.00658.672.333.835.5013.2546.5085.83

温度/℃9009009009009001000100010001000100010001100110011001100

应力/MPa

3027242015352822181210121086

时间/h129.17182.92245.17423.101059.10

2.757.3317.2539.00173.42400.3327.5084.00448.831333.00

图3SUS310S不锈钢800~1100℃的高温持久强度曲线

800900900900900900900

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（见图5）

。

封面图片：由一重集团公司为马鞍山钢铁公司车轮分公司设计制造的车轮压轧线

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