环境温度变化对蠕变变形测量的影响分析

吴安民，钟汉萍，邱 鹏，张燕明

(1.中国航发北京航空材料研究院， 北京 100095；2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；3.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095)

环境温度变化对蠕变变形测量的影响分析

吴安民1,2,3，钟汉萍1,2,3，邱 鹏1,2,3，张燕明1,2,3

(1.中国航发北京航空材料研究院， 北京 100095；2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；3.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095)

分析了环境温度变化对蠕变变形测量的影响，提出了减少环境温度变化对蠕变变形测量影响的建议。

蠕变试验；蠕变变形测量；环境温度变化；影响

1 引 言

蠕变是指材料在恒定温度、恒定载荷下随时间增加产生变形的现象。在蠕变试验过程中，一般都考虑环境温度的变化对材料蠕变性能的影响[1-2]。金属材料拉伸蠕变试验，一般需测试0.1%、0.2%的小应变量。为确保试验数据的可靠性，避免环境温度对试验数据的测量造成影响，相关检测标准都对试验室的环境温度做出了规定[3-5]，要求在进行蠕变试验时，试验间要有相对稳定的环境温度。

当前，国内大部分蠕变试验室的蠕变试验都是在自然环境状态的试验间里进行，对于环境温度的控制，一般是通过排风扇、开窗户等简易的方式进行调节。由于一年四季季节变化，试验间里环境温度变化较大，一些试验是在检测标准规定的环境温度变化范围内完成的，有些试验却是在超出检测标准规定的环境温度范围完成的，如某些需要达到上万小时的长寿命蠕变试验。

本文通过分析环境温度变化对试验测试系统构成要素的影响，说明环境温度变化对蠕变变形测量结果的影响，并提出减少环境温度变化对蠕变变形测量影响的意见和建议，希望能引起各试验室对蠕变试验间环境温度稳定的足够重视。

2 环境温度变化对蠕变试验的影响

2.1 对热电偶冷端温度和炉温热损失的影响

蠕变试验的控温方式有直接控温和间接控温两种方式。直接控温是目前广泛使用的控温方式，一般采用控温和测温共用热电偶的形式。一般蠕变试验室规模都比较大，都采用集中群控的方式，控制间和试验间是分开的。采用集中群控的方式，由于试验机热电偶冷端与控制间测控温台距离较远，一般都用补偿导线将测温热电偶的冷端延伸至控制间的测控温台，在测控温台设置一个恒温箱或密闭的空间并保持空间温度恒定，将铂电阻放置于恒温箱或密闭的恒温空间里所测量的环境温度作为测温热电偶的冷端温度，而不去考虑试验机热电偶的冷端温度变化。

对于采用直接控温方式的测控温加热系统，在试验过程中，虽然保持测控温台测温热电偶冷端温度稳定，测温热电偶的热端与冷端热电势差值没有发生变化，但是，试验间环境温度变化较大时，热电偶的冷端温度发生变化，使热电偶热端与冷端之间的热电势差值发生变化，从而引起高温加热炉炉温的波动变化，对蠕变变形的采集产生影响。

蠕变试验过程中，试样的加热是由电炉丝加热后通过热辐射的方式传递给试样，炉膛内的温度通过热扩散达到均匀稳定。试验过程中，通过炉壁和两端的炉口都会散失热量，为了保持炉温稳定，电炉丝会反复地升温加热，补偿炉壁和两端炉口的热损失，电炉丝的加热功率一直处于变化的状态，炉膛内的温度处于动态热平衡，试验温度也是实时波动变化的。为了确保炉温稳定，试验方法中都规定了不同温度范围允许的温度偏差值。环境温度变化较大或突变时，通过炉壁和两端炉口散失的热量会增大，电炉丝反复升温加热的频率和升温加热功率会增大，升温时，由于有热惯性，在热扩散过程中，会引起炉温的波动，对蠕变变形的测量产生影响。

炉温波动变化大时，试样及引伸计杆炉内部分处于反复加热的状态，在热胀冷缩效应下，会对蠕变变形的测量产生影响。另外，炉温波动变化大时，在热惯性作用下，炉温会产生热振荡。由于引伸计在试样轴向拉力方向不受力，在热振荡效应下会对引伸计产生微振，对蠕变变形的测量也会产生影响。试验温度的波动幅度越大，试样和蠕变引伸计杆的热胀冷缩效应和热振荡效应越明显，对蠕变变形测量的影响也越大。

2.2 对引伸计杆的影响

目前广泛使用的引伸计都是用高温合金加工制作的，测量蠕变变形时，由于引伸计与试样的连接端在高温加热炉内，而变形测量传感器连接端在高温加热炉炉体外，引伸计杆在高温加热炉内和炉外部分的温度梯度很大。例如，一个1000℃的蠕变试验，炉口温度只有100℃左右，当试验机环境温度变化较大或试验机周围有流动的气流时，引伸计杆会出现明显的热胀冷缩效应，对蠕变变形测量产生明显的影响，蠕变应变时间曲线会随着环境温度的变化出现同步的波动变化。

3 蠕变变形测量技术现状及发展趋势

目前，测量蠕变变形常采用高温合金引伸计、陶瓷引伸计、光学非接触蠕变测量方法等。光学非接触蠕变测量方法是近几年兴起的热点探索研究的测量方法，在变形测量过程中受环境温度变形影响较小，但对于高温蠕变试验，由于该技术还不成熟，还没有广泛地推广使用。与高温合金引伸计相比，陶瓷引伸计因为陶瓷材料比高温合金的线膨胀系数小、抗氧化、耐高温性能好，测量蠕变变形时受环境温度变化的影响较小，成为蠕变变形测量一个较佳的选择方案，也是未来蠕变变形测量的一个发展趋势。

4 蠕变试验室环境条件现状及改善

当前，国内大部分蠕变试验室的蠕变试验都是在自然环境状态的试验间里进行，对于环境温度的控制一般通过排风扇、开窗户等简易的方式进行调节，由于一年四季季节变化，试验间环境温度变化较大。而且不同蠕变试验室，因为设备数量和设备放置密度不同，试验间环境温度的变化范围有所差异。

有试验室的环境温度记录表明，冬季环境温度在30℃～38℃之间波动，夏季环境温度在40℃～51℃之间波动。尤其对于一些长寿命蠕变试验，试验过程中会出现环境温度不符合检测标准的情况，影响测试数据的可靠性。部分有条件的蠕变试验室，如宝钢、上海电气汽轮机厂等试验室，在试验间加装了空调设施来调节试验间的环境温度变化，环境温度能控制在±3℃变化。国外试验室对蠕变试验间的环境温度控制更为严格，日本国立材料科学研究所(NIMS)和帝国理工大学的蠕变试验间环境温度波动在±1℃。

5 结 论

(1)蠕变试验室可采取加装空调设施等措施来控制试验间的环境温度，一般环境温度变化控制在±3℃或更小的范围，以减小环境温度变化对蠕变引伸计和测控温系统的影响，确保蠕变测试数据的可靠性。

(2)选用对环境温度变化不敏感、线膨胀系数小的材料作为蠕变引伸计加工制作的首选材料，如陶瓷引伸计，保证蠕变试验数据的准确。

[1]丁智平,刘义伦,尹泽勇,等.镍基单晶高温合金蠕变-疲劳寿命评估方法进展[J].机械强度,2003,25(3):254-259.

[2]曾国伟,杨新华,白凡,等.沥青砂粘弹塑蠕变损伤本构模型实验研究[J].工程力学,2013,30(4):249-253.

[3]HB5151-96 金属高温拉伸蠕变试验方法[S].

[4]GB/T2039-2012 金属材料单轴拉伸蠕变试验方法[S].

[5]ASTM E139-11 Standard Test Methods for Conducting Creep, Creep-Rupture, and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials [S].

Analysis for Effect of Ambient Temperature Variation on Creep Deformation Measurement

Wu Anmin1,2,3, Zhong Hanping1,2,3, Qiu Peng1,2,3, Zhang Yanming1,2,3

(1.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China； 2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China； 3.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China)

The effects of ambient temperature variation on components of creep deformation measurement system as well as the creep deformation measurement are analyzed, and proposals are made to reduce the effect of ambient temperature variation on creep deformation measurement.

creep test; creep deformation measurement; ambient temperature variation; effect

2016-08-26

吴安民(1981-)，男，汉族，本科，工程师，主要从事航空材料高温力学性能的测试与研究工作。

TB302.3

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.009