SA-508 Gr.3Cl.1鋼應力松弛試驗研究

李 杰

(臺州市特種設備監督檢驗中心)

應力松弛穩定性是材料在高溫下的重要性能。對長期處于高溫、高應力工況下的壓力容器來說，除了要求材料具有較高的蠕變與持久抗力外，還必須具有較高的抗應力松弛能力。因此，系統地研究壓力容器用鋼材的高溫應力松弛特性非常重要。

應力松弛是指在恒定總應變的條件下,隨受力時間的延長,應力不斷減小的過程[1]。應力松弛現象既存在于高溫條件下,也存在于室溫條件下。目前研究較多的是在高溫使用環境下金屬材料的松弛問題,主要集中于核電站及火力發電廠等領域。為確保壓力容器的安全運行，筆者系統地研究了SA-508 Gr.3Cl.1鋼在高溫條件下的關系的應力松弛性能。

1 試驗過程

1.1試驗設備與材料

試驗工作在某大學的實驗室中進行。本試驗所用裝置為日本島津制作所生產的EHF-ED250KN-400L材料動態強度試驗機，該機經省計量檢定修理站檢定，精度等級為1級。高溫試驗爐溫由該機配套的高溫電爐和溫控設備控制，爐內試驗溫度的波動范圍在±3℃以內。試驗時由配套的載荷傳感器和位移傳感器采集數據，同時采用島津2.03版控制軟件全程控制試驗過程并整理試驗結果。

試驗所用的SA-508 Gr.3Cl.1低合金鋼鍛件環料來源于某壓力容器下封頭與筒身段之間的過渡段的延長段，第一重型機械廠性能試料部分以外的剩余半段環料部分。這些試料的焊后熱處理均按制造廠的焊后熱處理工藝在電加熱爐內進行。試樣經取樣、線切割為4塊，4塊試料再進行線切割，總共可切割為16塊。

每個試塊沿厚度方向通過線切割可加工5根20mm×20mm×200mm的試樣毛坯，按照文獻[2]的要求車削加工制得φ10mm標準圓棒試樣(圖1)，共80根。

圖1 試樣尺寸示意圖

在高溫拉伸試驗過程中，當拉伸試驗溫度超過了材料的相變起始溫度(730℃)時，氧化問題尤為嚴重，為了避免試樣氧化問題，試驗前在試樣表面涂抗高溫氧化涂料，使材料表面與空氣中的氧氣隔絕。

1.2應力松弛試驗

根據試驗要求，試驗溫度取450、600、750℃，控制的恒應變量取0.2%、0.5%、1.0%、1.5%、3.0%，每種控制條件下的試驗時間為24h；另外根據試驗要求對以上3種溫度進行控制恒應變量為1.0%的72h試驗。

試驗過程參考文獻[3]中的相關規定，先將試樣加熱到設定溫度，待溫度穩定10min后，加載過程采用高溫引伸計控制，加載的應變速率為0.002～0.006mm/s，加載到預先設定的應變值后，控制應變恒定，測量不同時間下的應力值。測試時，應變值的誤差在±0.2%，每隔1s采集一組數據，所采集的數據包括實時顯示的載荷值(TD1)、位移值(TD2)和引伸計測得的變形值(TD4)。典型應力松弛試驗結果如圖2所示。

圖2 典型應力松弛過程數據采樣

應力松弛試驗開始時的應力σ0和結束時的應力σt見表1。

表1 應力松弛試驗記錄

2 試驗數據處理

試驗數據處理目的是為了繪制應力松弛曲線。參照文獻[3]的規定，對于24h試驗分別按：1/60、1/20、1/10、3/20、1/4、1/2、3/4、1、3/2、2、4、8、10、24h的時間點進行數據處理和分析，而對于72h試驗在24h后則按每4h取一個數據；對于少量波動較大的數據，取該時刻前后對稱一段時間范圍的平均值。

450℃時應力松弛試驗數據處理結果見表2。

表2 450℃時應力松弛試驗數據處理結果

注：a～e對應應變控制值分別為0.2%、0.5%、1.0%、1.5%、3.0%。

通過比較450℃、1.0%應變控制值下，72h試驗與24h試驗的結果(圖3)可以看出：72h試驗的前24h與24h試驗的應力松弛曲線較接近，誤差較小，最后穩定的應力值基本上相同。結果表明應力松弛可重復性較好。

圖3 450℃時72h試驗與24h試驗的結果比較

600℃時應力松弛試驗數據處理結果見表3。

表3 600℃時應力松弛試驗數據處理結果

注：a～e對應應變控制值分別為0.2%、0.5%、1.0%、1.5%、3.0%。

通過比較600℃、1.0%應變控制值下，72h試驗與24h試驗結果(圖4)可以看出：72h試驗的前24h與24h試驗的應力松弛曲線較接近，誤差較小，最后穩定的應力值基本上相同。結果表明應力松弛可重復性較好。

圖4 600℃時72h試驗與24h試驗的結果比較

750℃時應力松弛試驗數據處理結果見表4。

表4 750℃時應力松弛試驗數據處理結果

注：a～e對應應變控制值分別為0.2%、0.5%、1.0%、1.5%、3.0%。

通過比較750℃、1.0%應變控制值下，72h試驗和24h試驗的結果(圖5)可以看出：72h試驗的前24h與24h試驗的應力松弛曲線較接近，誤差較小，最后穩定的應力值基本上相同。結果表明應力松弛可重復性較好。

圖5 750℃時72h試驗與24h試驗的結果比較

3 結論

3.1SA-508 Gr.3 Cl.1鋼在450、600、750℃應力松弛試驗中，在相同的控制應變下，隨著溫度的升高σ0和σt都逐漸降低，試驗溫度越高時其應力松弛現象越明顯。

3.2相同控制條件下進行72h應力松弛試驗時的前24h與24h應力松弛試驗時的應力松弛曲線較接近，誤差較小，重復性較好。

[1] 楊王玥，強文江.材料力學行為[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2] GB/T 4338-2006，金屬材料高溫拉伸試驗[S].北京：中國標準出版社，2006.

[3] GB/T 10120-1996，金屬應力松弛試驗標準[S].北京：中國標準出版社，1996.