316L不锈钢扩散焊接头高温蠕变性能

316L不锈钢扩散焊接头高温蠕变性能
安子良;轩福贞;涂善东
【摘要】以非标准持久试样进行了316L不锈钢扩散焊接头蠕变与持久试验.采用θ函数法描述和预测了316L不锈钢扩散焊接头蠕变曲线,并由θ函数法计算了最小蠕变应变速率和接头在6MPa,550℃条件下蠕变应变达到0.2％时的使用寿命,并将蠕变应变0.2％作为以316L不锈钢为母材的扩散焊构件高温结构设计标准.由持久试验结果可知,θ函数法与Larson - Miller法外推的316L不锈钢直接扩散焊接头蠕变断裂时间较为一致.%The non - standard specimen is used in the creep and stress rupture test of the 316L stainless steel direct diffusion bonding joint. The creep curve is interpreted in terms of the 6 project concept method , the minimum creep strain rate, creep curve and remain life at 6 Mpa are calculated by using 0 project method,the creep strain of 0.2% is select as the design criterion for the diffusion bonding component at high temperature. As known form the stress rupture experimental results, the remaining life extrapolated by Larsen - Miller equation is relatively consistent with that calculated by the 8 project concept method.
【期刊名称】《压力容器》
【年(卷),期】2011(028)007
【总页数】5页(P6-10)
【关键词】扩散焊;蠕变变形;持久强度;θ函数法
【作者】安子良;轩福贞;涂善东
【作者单位】上海应用技术学院机械工程学院,上海201418;华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237【正文语种】中文
【中图分类】TG453.9;TG142.7
0 引言
扩散焊技术以其加工精度高、适于复杂几何结构加工的特点，成为先进制造技术领域和微小型化学机械系统封装的首选加工工艺，非常适合制备工作高温高压环境中的微小型换热器、反应器和微槽道反应器等［1－4］。

随着现代微小型化学机械系统工作温度和压力的提高［5－7］，构件中扩散焊接头所面临的蠕变断裂与早期失效的风险日益增加，但关于扩散焊接头高温性能及构件高温结构完整性研究文献则较少，因而研究扩散焊构件高温蠕变性能与制订扩散焊构件高温结构设计准则已是刻不容缓的课题。

从工程应用的角度看，对含有缺陷的构件只要满足安全评定要求是完全可以使用的，但要在服役过程中注意检测缺陷的演化情况以避免事故发生，因此研究含缺陷的扩散焊接头高温蠕变性能既具有工程实践价值又具有理论意义。

文中根据微小型化学机械系统的特点和参照熔焊接头蠕变性能测试方法及标准，选择焊合率约50%的316L不锈钢直接扩散焊接头为高温蠕变研究对象，以非标准试样进行了550℃蠕变性能与持久强度试验。

采用θ函数法处理316L不锈钢扩散焊接头蠕变曲线和外推接头使用寿命，并将θ函数法预测的使用寿命与持久试验外推结果进行了比较。

1 试验方法及材料
文中所选316L不锈钢直接扩散焊接头的焊接压力、焊接温度和保温时间分别为
10 MPa，1050℃和1 h，其接头的常温与高温性能如表1所示。

表1 316L不锈钢扩散焊接头力学性能?
由于本文扩散焊构件最大加工尺寸为160 mm，因此参照GB/T 2039—1997《金属拉伸蠕变及持久实验方法》设计了标距为Ø5 mm×60 mm、Ø5 mm×50 mm 的蠕变与持久非标准试样，具体尺寸和形状如图1所示。

材料实验机为经过计算机改造的RD2－3型蠕变及持久实验机，在室温下通过M12－M16转换夹头安装试样［10］。

根据316L不锈钢直接扩散焊接头高温短时拉伸试验和多次模拟蠕变的试验结果，确定在蠕变试验开始时预加载荷800 N，在550℃保温2 h后按照图2中的载荷进行蠕变试验，同时启动实验机控制软件显示和记录蠕变变形数据［11］。

在进行持久试验时预加载荷为400 N，550℃保温2 h后按照表2中载荷进行持久试验，同时启动实验机控制软件显示和记录持久试验时间。

图1 316L不锈钢扩散焊接头蠕变和持久试样形状及尺寸
表2 316L不锈钢扩散焊接头持久试验结果?
图2 316L不锈钢扩散焊接头θ函数法拟合蠕变曲线
2 蠕变的理论模型
Evans和Wilshire提出的θ函数法不仅可以描述整个蠕变变形曲线上时间与应变之间的关系，而且可以预测不同温度和载荷条件下的蠕变曲线及其使用寿命，以及可采用数值方法求解最小蠕变应变速率［12－14］。

θ函数法的特征方程为:
式中ε——蠕变应变，%
θ1，θ2，θ3，θ4——系数
t——蠕变时间，h
Evans和Wilshire认为，蠕变是一个材料的应变硬化和碳化物析出、聚集、长大及空洞形成引起材料弱化的过程，因此式(1)中的第一项和第二项分别反映了材料
的应变硬化和弱化。

θ2和θ4是描述蠕变曲线第一阶段和第三阶段的速率参数，
θ1和θ3是描述蠕变曲线第一阶段和第三阶段的变形量参数。

式(1)中的θi是与温度和应力有关的材料常数，且满足以下关系式:
式中 ai，bi，ci，di——材料常数
当温度T一定时，logθi与σ呈线性关系。

由短时蠕变曲线线性回归获得的4个参数θ1，θ2，θ3，θ4，可定量地预测不同温度和应力条件下的长时蠕变曲线。

此外，根据预测的长时蠕变曲线和蠕变应变设计标准εr可计算出该构件的使用寿命。

对θ函数法(式(1))方程求一阶导则可获得蠕变速率，即第二阶段蠕变应变速率，
其表达式:
对式(3)求二阶导则可获得最小蠕变应变速率表达式:
从数学角度看，蠕变曲线可认为由减速阶段和加速阶段两部分组成，蠕变曲线的拐点即为最小蠕变速度。

因此，=0则可求最小蠕变应变速率，最小蠕变应变速率时所对应的时间tmin:
随着所选蠕变曲线第二阶段起点和终点的不同，由Norton方程所获得的稳态蠕变应变速率存在一定的差异，可见根据传统方法计算的稳态蠕变应变速率很难保证精度。

从物理意义上来看，θ函数法与Norton方程在求稳态蠕变应变速率是相同的，因此可采用θ函数法从数理方程角度求解蠕变曲线的最小蠕变应变速率。

由于本
文所有蠕变试样在试验结束后均未产生颈缩，则可将316L不锈钢直接扩散焊接头恒载荷试验近似地看作恒应力蠕变试验，因而可以采用θ函数法处理316L不锈钢扩散焊接头蠕变曲线和外推接头的使用寿命。

3 试验结果和讨论
3.1 基于θ函数法蠕变特征曲线和最小蠕变应变速率
各蠕变曲线与根据θ函数法得到的拟合曲线的比较如图2所示，除了60 MPa拟合曲线在第三阶段相差较大外，其余拟合曲线与实测曲线吻合程度比较高。

对各拟合曲线分别求其二阶导数从而计算出tmin，然后将其代入式(4)中则可求出各个应力条件下的最小蠕变速率εmin。

表3列出采用θ函数法计算的最小蠕变应变速率数值解，与通过Norton方程确定的稳态蠕变应变速率相比，除了60 MPa的
εmin误差稍大之外其余应力的计算误差都在20%以内。

由此可见，利用θ函数法计算最小蠕变应变速率可以免去由于取值不当造成的人为误差，大大提高了效率和准确性。

由于本文蠕变试验均为550℃，在计算logθ－σ关系式时只需按照式(2)由不同应力的θi数据做线性回归求得材料常数ai和bi即可。

材料常数ai和bi见表4。

表3 θ函数法的最小蠕变应变速率计算值?
表4 logθi=ai+bi中 ai和 bi的值?
由紧凑式换热器设计手册可知［15－17］，采用扩散焊技术加工的不锈钢板翅式换热器最大工作温度和压力为650℃和10 MPa。

因此，文中采用θ函数法预测550℃，工作压力为6 MPa的316L不锈钢扩散焊接头长时蠕变性能，将6 MPa 和表4中材料常数ai和bi代入式(2)中，则可求得其蠕变曲线特征方程为:
由于文中所有316L不锈钢扩散焊接头蠕变应变均未超过0.5%，因此将0.2%作为316L不锈钢扩散焊构件高温结构设计蠕变应变标准εr。

根据θ函数法预测的蠕变曲线方程(5)和εr=0.2%，则可外推316L不锈钢扩散焊构件的使用寿命为194592 h。

3.2 等温法外推316L不锈钢扩散焊接头持久强度
持久强度是评定高温承载构件长期使用的强度指标，目前一般采用提高试验载荷与温度的方法获得试样较短时间内应力、温度与断裂时间之间的关系，然后外推长时断裂应力、时间与温度之间的关系。

对于加速持久试验，等温线法建立了蠕变断裂时间tr与所施加应力σ之间的数学模型，从而可以外推在该试验温度下的长时持久强度，其表达式如下:
式中 tr——持久断裂时间，h
σ——试验应力，MPa
A，B——材料常数
将表2中对应的时间与应力数据代入式(6)，则316L不锈钢扩散焊接头持久强度σ与蠕变断裂时间tr之间的表达式为:
由式(7)可外推工作应力为6 MPa的316L不锈钢扩散焊构件持久强度，其持久断裂时间为21457 h。

同理可知，服役时间为1万h的316L不锈钢扩散焊构件高温持久强度为10.67 MPa，10万h的高温持久强度为1.88 MPa。

3.3 Larson－Miller法外推316L不锈钢扩散焊接头持久强度
对于材料的持久性能来说，Larson－Miller方程描述的温度、应力和寿命之间关系表达式为:
式中 P——Larson－Miller参数，是应力σ的函数
T——绝对温度，K
tr——持久寿命，h
C——与材料相关的常数
B1，B2，B3，B4——多项式系数
由表2中试验数据拟合可得tr与σ之间的关系表达式为(常数C取20):
由式(9)可知，采用Larson－Miller方法外推工作应力为6 MPa的316L不锈钢扩散焊构件持久断裂时间为193681 h，与θ函数法预测的扩散焊接头使用寿命非常接近。

服役时间为1万h的316L不锈钢扩散焊构件高温持久强度为14.01 MPa，10万h的高温持久强度为6.96 MPa。

4 结论
建立了扩散焊接头蠕变与持久性能测试样品尺寸、形状、试验方法和步骤，以及接头高温蠕数据处理方法。

试验结果表明，θ函数法适用于316L不锈钢扩散焊接头蠕变曲线的处理，并可预测长时蠕变曲线和外推接头使用寿命。

与Norton方程确定的稳态蠕变应变速率相比，θ函数法完全可取代传统方法计算最小蠕变应变速率。

由持久试验结果可知，θ函数法与Larson－Miller法外推的316L不锈钢扩散焊
接头蠕变断裂时间较为一致，而等温法外推结果相对保守。

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