紧固件的蠕变失效

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- H  D7 M+ n! H. E# M1 _6 |一、概述　　
! q, |# V" q6 h0 G0 w) K      蠕变是金属零件在应力和高温的长期作用下，产生永久变形的失效现象。晶粒沿晶界滑动产生形变是蠕变的主要机理。当形变温度升高到0.35~0.7Tm(Tm是熔点的绝对温度)时，晶界附近的薄层区域内发生恢复而软化，形变得以进行。变形后又产生畸变，于是需要再恢复和再软化，以保持形变在这些区域中继续进行，这就是所谓的晶界滑动。由于恢复需要一定温度和时间，因而晶界滑动要在高于某一定温度的条件下才能进行。
　　金属拉伸蠕变曲线，它分为三个阶段：
8 t4 z, T7 N( y' {) X% ^　　第一阶段，蠕变速率由快逐渐变缓，它与晶体缺陷的重新分布有关。
$ O9 S5 U: B/ _　　第二阶段，表明硬化与恢复这两种机理处于平衡状态，蠕变速率恒定。这一阶段在蠕变的全过程中占据较大的比例。
. J& _& k3 Q" {1 ^+ C( B+ K　　第三阶段，表现为蠕变速率加快，此时金属的形变硬化已不足以阻止金属的变形，而且有效截面的减小，促使蠕变速率加快，最后导致断裂。
　　并非任何材料的蠕变曲线均出现上述三个阶段，因蠕变过程使预紧零件的尺寸产生变化而导致失效的现象称为热松弛。如用于紧固件压力容器法兰盘的螺栓，在温度和应力的长期作用下，因蠕变而伸长，导致预紧力减小，因此可能造成压力容器的泄漏。
　　二、特征及判断
　　蠕变的最主要特征是永久变形的速度很缓慢。可以根据零件的具体工况来分析，是否存在产生蠕变的条件(温度、应力和时间)。没有适当的温度和足够的时间，不会发生蠕变或蠕变断裂。在蠕变断口的最终断裂区上，撕裂岭不如常温拉伸断口上的清晰，在扫描电镜下观察，蠕变断口附近的晶粒形状往往不出现拉长的情况，而在高倍下，有时能见到蠕变空洞。
  L* y: z7 E1 F+ k; \& f- m( }　　三、蠕变失效的鉴别方法
　　热松弛与塑性变形，从宏观上均有残余变形容易混淆。塑性断裂与持久断裂(或蠕变断裂)容易混淆，因为从宏观上看，断裂前均有永久变形，断口附近均有缩颈。其区别可从下列几方面考虑。
9 H1 |( Z- w6 V6 r$ J　　1、在工况上的差别
　　众所周知，塑性变形和塑性断裂是在拉应力作用下发生的，过程进行较快，温度较低。热松弛和持久断裂是温度和时间两个因素起重要作用的失效过程，较高的工作温度和较长的服役时间，是这种失效模式的必要条件。对于工况的了解除了查阅文字资料外，直接查看残骸上有无高温的遗痕，如氧化色等。分析工况时要很慎重，例如某高温压力容器有很长时间处于较低的压力下工作，突然压力升高，使连接螺栓发生断裂，对此只有在具体地了解有关压力、温度及在不同工况下的服役时间，才能具体判别是否发球蠕变失效。
　　2、断口形貌的差别
3 H9 Z( h9 ?" }/ \3 K9 a1 n, x　　塑性断口上韧窝非常清晰，微孔聚合的部位比较尖锐，在扫描电镜下观察这些地方呈现白亮线条。蠕变断口上，微孔聚合的地方比较钝，在扫描电镜下观察，这些地方没有明显的白亮线。蠕变断口上，有可能看到氧化色，有时还能见到蠕变孔洞。
7 H# `& \! k3 k  h5 |9 Z　　3、断口附近的金相组织
! I% m- d6 S, @. _/ X1 }　　蠕变多为沿晶断裂，而塑性断裂多为穿晶型断裂。经蠕变的样品中，有可能看到蠕变孔洞，此外，碳钢长时间在高温下停留，碳化物会发生一定程度的石磨化。
8 u  N" x2 S+ z1 W' v　　四、提高蠕变抗力的措施
　　1.设计方面
" I" N! h5 o2 z7 [& y0 V' t* V8 }　　根据产品的特点，正确地选择材料和确定零件尺寸至关重要。近年来为适应产品的使用温度和负载不断提高的要求，研制出不少新材料，但是能够提供给设计人员使用的蠕变性能数据却不够充分。在这种情况下，一方面有可能出现由于设计的应力水平偏高而导致早期失效。另一方面也可能设计过于保守，而造成不必要的浪费。例如，热电站的设计寿命一般为10万h。在我国有很多540度，10MPa电站高压锅炉的主蒸汽管道貌岸然已相继达到设计寿命，但根据最近的寿命估算指出，可以有把握将这些锅炉的使用寿命延长到20万h。
" y% o. e; R+ w0 a$ I& Y6 |　　一般说来，这种失效形式需要较长的时间，因此反应速度迟缓，有效的措施是根据材料蠕变性能的测试和积累，进一步研究决定。
8 u7 w8 `, i3 r　　2.制造方面
　　严格质量管理，避免不符合技术规范的零件装配产品，这对失效周期较长的产品，尤为重要。当然，具体的措施应在产品服役中的失效分析基础上形成。
! L$ n! B0 J. _1 _. [' q7 D1 C- u　　3.使用时采用措施
5 {+ n! M& q2 y. ]　　超负荷使用是产品蠕变失效的常见原因，因此在使用中严格控制使用条件，是提高产品寿命和可靠性的最为重要的措施。加强对正在服役的产品，以及关键零件的质量状况进行监控，是保证产品可靠性的有效措施。