基于Z_c参数的HP耐热合金高温蠕变及持久寿命的预测方法

第46卷第3期材料工程V。

1.46 No.3
2018 年3月第 112 —116 页Journal of MaterialsEngineering Mar. 2018 pp.112-116基于厶参数的H P耐热
合金局温螺变及持久
寿命的预测方法
Prediction of High Temperature Creep
Deformation and Rupture Life on HP
Heat Resistant Alloy Using Zc Parameter
李会芳，赵杰，程从前，闵小华，曹铁山，许军
(大连理工大学材料科学与工程学院，辽宁大连116024)
L IH u i-fang，Z H A O Jie，CHENG Cong-qian，MIN Xiao-hua，
CAO Tie-shan，XUJun
(School of Materials Science and Engineering,Dalian University
of Technology,Dalian 116024, Liaoning,China)摘要：通过研究HP耐热合金的高温蠕变实验数据，提出一种基于乙参数的高温蠕变变形预测方法，并且利用该方法对HP耐热合金的高温蠕变性能进行预测和分析。

结果表明：在1000,980^和930^下，蠕变应变分别为0.5%和1%时，预测数据与HP耐热合金的蠕变实验数据符合较好。

同时利用基于乙参数的高温蠕变变形预测方法对H P耐热合金的高温持久寿命进行了评估，结果表明由该方法得到的预测主曲线与耐热合金的持久实验数据吻合较好。

关键词：HP耐热合金；蠕变；持久寿命预测；乙参数
doi： 10.11868/j.issn.1001-4381. 2016. 000354
中图分类号：TG132.3+3 文献标识码：八文章编号：1001-4381(2018)03-0112-05
Abstract：Through the study on h igh temperature creep data of HP heat resistant alloy,a prediction method of high temperature creep deformation based on Zc parameter was proposed.The creep resis--ance of HP heat resistant alloy w as predicted by this method.The results indicate that the predicted data are in good agreement with the HP heat resistant alloy creep experimental data at 1000,980 °C and 930°C.At the same time,the creep rupture life of heat resistant alloy was evaluated by this method, the results show that the predicted principal curves agree well with the experimental data.
Key words：HP heat resistant alloy；creep；rupture life prediction；Zc parameter
随着科技的发展和工业需求的不断増长，高温合 金以其优良的抗蠕变性能与组织稳定性能[1]，在航空 航天的发动机、核工业的高热部件和发电厂的燃气轮 机等心脏部位获得大量应用[23]。

随着材料服役年限 的不断增长，高温合金的蠕变变形量、稳定性和可靠 度，是生产设备在实际工作过程中需要参考的重要指 标。

如何对高温合金的蠕变变形性能进行合理、准确 和快速评价，以保证其在实际工作过程中的稳定和安 全，是当前工作的重点。

但由于实际材料的服役年限 往往在几千小时甚至上万小时，直接对材料进行同等 环境条件实验是不可行的，这就需要建立适当的本构 模型，利用短时间的实验数据，对高温合金长时间的高 温蠕变变形和持久寿命进行可靠的预测与评估。

在过去的几十年中，前人提出了很多有关高温蠕 变变形和持久寿命的预测方法[49]。

Larson和Miller 于1952年提出了 Larson-Miller参数方法（L-M参数 法）[1°]，该方法是通过归一化时间和温度，利用高于设 计需求恒定温度和恒定应力下的持久数据外推设计应 力下的寿命，帮助人们解决了很多工程问题。

但是该 方法在预测精度上一直存在争议，在实验数据比较充 足的情况下，根据高于实际服役环境的条件下获得实 验数据拟合外推时，才能够得出较为准确的预测。

Evans于1982年提出了 0投影法，该方法在过去 的几十年中帮助人们成功预测了一些高温耐热材料的 蠕变变形[1113]，该方法是将蠕变过程看作仅仅由“材料 的软化过程”和“材料的硬化过程”两部分组成[14]。

通
第46卷第3期基于乙参数的H P 耐热合金高温蠕变及持久寿命的预测方法113
过沒参数与应力和温度的关系，利用高温、高应力的短 时蠕变数据来预测材料的长时蠕变数据。

但是由于客 观实验材料的组织性能的波动性[15]，试样尺寸的波动 性和实验过程中实验条件的波动性会直接反映到实验 数据上，这就会导致6参数的数值存在很大的不确定 性，从而直接影响长时蠕变数据预测的准确性。

本课 题组曾对实验数据的分散性作了详细的研究与讨 论[15_16]。

prager 提出的〇法是根据蠕变变形速率来 评价材料的高温蠕变变形行为，该方法认为材料的抗 蠕变性能随变形量的增加逐渐减小，将^看成是温度 和应力相关的参数[4]。

D 法虽说已在压力容器和热力 管线蠕变变形预测中得到了成功的应用[14]，但是该方 法也存在与6投影法相同的问题，即D 参数的数值会 因实验数据的波动性而存在不确定性。

鉴于此，本工作以H P 耐热合金为例，提出了一种 基于乙参数的高温蠕变变形预测方法。

由于该预测
方法同时利用多条蠕变曲线，即该蠕变变形预测方法 的结果是建立在多组实验的基础上，既结合了材料的 蠕变信息，又有效降低了材料性能的分散性给预测带 来的影响，并且该方法仅利用了蠕变曲线的前半阶段， 得到的蠕变变形值与实验结果吻合良好。

同时利用此 方法对材料的持久寿命进行了预测，并且与材料的实 验数据进行了对比，结果表明实验数据点均匀分布于 预测主曲线两侧，预测主曲线与实验数据点具有良好 的关联性。

1实验材料与方法
实验材料为离心铸造制备而成的H P 耐热合金，
组织观察采用JSM -5600L V 型扫描电子显微镜，成分 分析选用S p ectrn L A B L A V M lO 光谱仪。

合金的成 分组成列于表1中。

表1实验用犎犘耐热合金的成分（质量分数/%)
Table 1 Chem ical com positions of experim ental HP heat resistant alloy (mass fraction /%)
C Si M n P S C r N i C u N N b T i Z n Z r Fe O. 571
O. 867
O. 844
O.O 113
O.O 11
24.35
35．66
O.O 146
O.O 574
O．551
O. 124
O.OO25
O.OO93
B a l
蠕变断裂实验在RWS 5O 电子蠕变试验机上进 行，实验温度为1OOO , 980 , 95O ,93O °C ，外界环境温 度为室温，实验应力为32〜60MPa ，蠕变试样尺寸规 格根据GB /丁 2O 39 — 2O 12加工，其拉伸段尺寸为 ^5mmX 25mm 。

2结果与讨论
2.1犎犘耐热合金的组织与蠕变实验结果
图1为H P 耐热合金的显微组织照片，可以看出， 该H P 耐热合金是由三部分组成，即奥氏体基体、骨架 状共晶组织和晶粒内奥氏体基体上的细小析出相。

晶
粒内的奥氏体基体中存在大量的弥散析出二次碳化
物。

本工作中所选H P 耐热合金为经过一定时间服役 后的材料，骨架状的共晶组织存在一定的粗化，但是仍 然保持网状。

图2为H P 耐热合金的蠕变实验曲线， 可以看出，应力和温度越低，稳态蠕变速率持续的时间 越长；反之，应力和温度越高，材料的蠕变时间越短。

2.2乙参数模型
根据以上实验可以得到不同温度和应力下的高温 蠕变实验数据，将获得的蠕变实验数据按蠕变应变从 小到大选取£1，£2, £3…&至少6个蠕变应变，并获得 与所选应变对应的蠕变实验时间&。

图3(a )为选取的 5%蠕变应变的数据点，可以看出1OOOC 下，不同应力
图
1 H P
耐热合金的显微组织（a )低倍组织；（b )高倍组织
F ig. 1
M ic r o s tr u c tu r e s o f H P h e a t r e s is ta n t a llo y
(a )l o w m a g n ific a tio n ； (b ) h ig h m a g n ific a tio
n
114材料工程2〇18年3月
式中：T 为高温蠕变实验温度，K &为材料的蠕变实 验时间，h ;c 为材料常数(此处所选的数值为19. 62)。

通过图3 (b )中的分析，可以得到，不同实验条件 下的数据点虽然具有分散性，但是可以通过公式（1)的 归一化将所有数据有效地联系起来。

同理，利用公式
(1)得到其他蠕变应变下的应力-P 参数数据点，如图4 所示。

可以看出随着蠕变应变量的增加，图中的数据 点具有明显的平移特征，因此本工作提出了基于乙参 数的高温蠕变变形预测方法。

该方法认为不同蠕变应 变下，应力与P 参数之间存在平行的关系，因此应综 合考虑数据之间的关系，建立数学模型：
c j = at +5P - 0. 248犘2 (2)
式中犪为任意常数;a 为实验应力犘为参数。

利用所建立的数学模型公式（2)拟合图4中不同 蠕变应变下的数据点，得到图4中的拟合曲线。

Z 。

表 示每条曲线相对于蠕变应变为〇. 1%曲线的偏移量。

本工作中所选的乙具体数值为：
犣犻犻
—犪犻—a 0.1% (3)
其中犻的取值为〇.1%，〇.2%，0.5%，1%，2%和5%;
a
01%
=67. 6083。

从图4中通过关系式（3)得到不同应变下拟合曲
图
4
不同蠕变应变下的应力与P 参数关系图
F ig. 4
R e la tio n s h ip b e tw e e n s tre s s a n d P -p a r a m e te r a t
d iff
e r e n t cre e p s tra in s
线相对于
0.1%
曲线的犣值，然后以乙为纵坐标，蠕
变应变为横坐标作图，得到如图5
中所示的曲线，通过
图
5
,可以进一步将不同蠕变应变下的数据归一化到
一条犣。

-应变曲线上，避免了数据分散性给实验分析 带来的影响，可以更准确地研究材料的高温蠕变性能。

利用图5,
可以得到各蠕变应变
&
下的犣犻值，将得到 的犣c
值代入式（）中，求出常数
a z
，进而将犪犻值代入
式
(2)
中，得到每个蠕变应变下的具体模型关系式，由
该关系式可以预测一定温度和应力下，H P
耐热合金
图
3
不同蠕变应变下的应力与实验时间关系图
a
原始数据点；（b )归一化处理后的数据点
F ig. 3
R e la tio n s h ip b e tw e e n s tre s s a n d te s t tim e a t d iff e r e n t cre e p s tra in s
(a )o r ig in a l e x p e rim e n ta l d a ta ；
(b ) e x p e rim e n ta l d a ta a fte r n o r m a liz a tio n p ro c e s s in g
F ig. 2
图
2
H P
耐热合金的蠕变实验曲线
C re e p e x p e rim e n ta l c u rv e s o f H P h e a t r e s is ta n t a llo y
的数据点存在明显的函数关系；但是不同温度下的数 据点由于存在明显的分散性，不容易分析这些数据之 间的关联性，利用公式（1
)
对图
3 (a
)数据点中的温度
T
和蠕变变形时间
^
进行归一化处理，最终得到如图
3(b )
所示的关系图，不难看出不同温度与不同应力下
数据点之间的关系，拟合所有数据点，得到图3(b
)中
的实线。

在每个所选的蠕变应变下，计算得到
H P
耐热合
金的参数
P
值，其表达式为：
P
— 10—3 X
T X d g h +c )
(1)
(a)
Strain 5%
:歷
_ ★ 98C T C
v 930 °C
o
o
5 4 edlAI/ssal c
o
第46卷第3期基于乙参数的H P 耐热合金高温蠕变及持久寿命的预测方法115
于2倍误差线范围内的数据点所占比例达到82%，蠕 变应变为5%时，预测结果差异位于2倍误差线范围 内的数据点所占比例达到1〇〇%。

2.4基于乙参数的蠕变持久寿命预测
根据乙参数法，选取图5中Z 。

变化平缓处，且应 变较小的蠕变应变作为断裂应变，再根据图4选取该 蠕变应变下所对应的断裂主曲线作为预测断裂主曲 线。

由蠕变断裂实验数据点和预测主曲线可以得到如
图7所示的数据图，可以看出，真实蠕变数据点均匀分 布于预测主曲线两侧，表明该预测主曲线可以较好地 表征H P 耐热合金的高温蠕变断裂性能。

30 r
....................................................................26.0
26.5
27.0
27.5
28.0
P =1〇-3x T x (|g f/+19.62)
图
7
应力-P 参数数据点与预测曲线的比较
F ig. 7
C o m p a ris o n b e tw e e n th e d a ta o f s tre s s -P p a ra m e te r
a n d th e p re d ic tio n lin e
同时，在图7中还分别列出了蠕变应变为5%， 10 %和20 %时的预测主曲线，可以看出，当图5中的 变化平缓时，随着蠕变应变的增加，预测主曲线之 间的差异很小，这意味着当选择的断裂应变在某一临 界值时，得到的持久寿命之间的差异较小。

本工作设定温度为1000°C ，设定应力为32MPa 时，结合以上所述的基于乙参数的持久寿命预测方 法，选取应变为5%的公式（2)为预测主曲线，并结合 公式（1)可以得到预测持久寿命为367. 49h ，而实验实 际断裂时间为371. 18h ，预测时间与真实实验时间非 常接近。

这说明基于乙参数方法不仅可用于预测高 温蠕变变形，同时在持久寿命中也可得到相对稳定的 结果。

3结论(1)
基于乙参数的高温蠕变变形预测方法，利
短时间的蠕变实验数据，能够较好地预测耐热合金的
高温蠕变变形。

(2)
利用基于Z 。

参数的高温蠕变变形预测方
能够对材料的高温持久性能进行较好的预测，进一步 降低了材料性能分散性和实验结果波动性给材料的高 温蠕变变形预测带来的影响。

基于乙参数的高温蠕
的蠕变变形随时间的变化。

2.3基于乙参数法的蠕变变形预测结果
图6是基于Z 。

参数法所得结果与实验结果的比 较，可以看出，在不同的实验温度与实验应力下，各蠕 变应变下的预测值与实验值符合良好，除个别数据点 夕卜，预测结果差异基本上位于3倍误差线（图6中的虚 线）范围内。

从图6中的右上角数据可以看出，当蠕变 时间越长，蠕变三阶段越明显时，预测精度越高；3个 蠕变应变下的预测结果误差最大数据点所占比例仅为 18. 1%;蠕变应变为0. 5%和1%时，预测结果差异位
5
5
5 4 4 3edIAI/ssal
c
o
116材料工程2018年3月
变变形预测方法能够在实验数据存在波动性的情况 下，得出比较理想的持久寿命预测结果。

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基金项目：国家髙技术研究发展计划项目（2015A A034402);国家自然 科学基金项目（1171037 51134013)
收稿日期：2016-03-27;修订日期：2017-07-12
通讯作者：赵杰（1964 —），男，博士，教授，主要从事材料强度及可靠性
预测，联系地址：辽宁省大连市甘井子区凌工路2号大连理工大学材料
科学与工程学院（116024) f E-m a i l i e z h a c^d l u t.e d
(本文责编：寇凤梅）。