SA-508 Gr.3Cl.1钢应力松弛试验研究

2015-01-13李杰

化工机械 2015年6期

李杰

(台州市特种设备监督检验中心)

应力松弛稳定性是材料在高温下的重要性能。对长期处于高温、高应力工况下的压力容器来说，除了要求材料具有较高的蠕变与持久抗力外，还必须具有较高的抗应力松弛能力。因此，系统地研究压力容器用钢材的高温应力松弛特性非常重要。

应力松弛是指在恒定总应变的条件下,随受力时间的延长,应力不断减小的过程[1]。应力松弛现象既存在于高温条件下,也存在于室温条件下。目前研究较多的是在高温使用环境下金属材料的松弛问题,主要集中于核电站及火力发电厂等领域。为确保压力容器的安全运行，笔者系统地研究了SA-508 Gr.3Cl.1钢在高温条件下的关系的应力松弛性能。

1 试验过程

1.1试验设备与材料

试验工作在某大学的实验室中进行。本试验所用装置为日本岛津制作所生产的EHF-ED250KN-400L材料动态强度试验机，该机经省计量检定修理站检定，精度等级为1级。高温试验炉温由该机配套的高温电炉和温控设备控制，炉内试验温度的波动范围在±3℃以内。试验时由配套的载荷传感器和位移传感器采集数据，同时采用岛津2.03版控制软件全程控制试验过程并整理试验结果。

试验所用的SA-508 Gr.3Cl.1低合金钢锻件环料来源于某压力容器下封头与筒身段之间的过渡段的延长段，第一重型机械厂性能试料部分以外的剩余半段环料部分。这些试料的焊后热处理均按制造厂的焊后热处理工艺在电加热炉内进行。试样经取样、线切割为4块，4块试料再进行线切割，总共可切割为16块。

每个试块沿厚度方向通过线切割可加工5根20mm×20mm×200mm的试样毛坯，按照文献[2]的要求车削加工制得φ10mm标准圆棒试样(图1)，共80根。

图1 试样尺寸示意图

在高温拉伸试验过程中，当拉伸试验温度超过了材料的相变起始温度(730℃)时，氧化问题尤为严重，为了避免试样氧化问题，试验前在试样表面涂抗高温氧化涂料，使材料表面与空气中的氧气隔绝。

1.2应力松弛试验

根据试验要求，试验温度取450、600、750℃，控制的恒应变量取0.2%、0.5%、1.0%、1.5%、3.0%，每种控制条件下的试验时间为24h；另外根据试验要求对以上3种温度进行控制恒应变量为1.0%的72h试验。

试验过程参考文献[3]中的相关规定，先将试样加热到设定温度，待温度稳定10min后，加载过程采用高温引伸计控制，加载的应变速率为0.002～0.006mm/s，加载到预先设定的应变值后，控制应变恒定，测量不同时间下的应力值。测试时，应变值的误差在±0.2%，每隔1s采集一组数据，所采集的数据包括实时显示的载荷值(TD1)、位移值(TD2)和引伸计测得的变形值(TD4)。典型应力松弛试验结果如图2所示。

图2 典型应力松弛过程数据采样

应力松弛试验开始时的应力σ0和结束时的应力σt见表1。

表1 应力松弛试验记录

2 试验数据处理

试验数据处理目的是为了绘制应力松弛曲线。参照文献[3]的规定，对于24h试验分别按：1/60、1/20、1/10、3/20、1/4、1/2、3/4、1、3/2、2、4、8、10、24h的时间点进行数据处理和分析，而对于72h试验在24h后则按每4h取一个数据；对于少量波动较大的数据，取该时刻前后对称一段时间范围的平均值。

450℃时应力松弛试验数据处理结果见表2。