緊固件的蠕變失效,緊固件的蠕變失效現(xiàn)象是怎么回事?
一、 概述蠕變是金屬零件在應力和高溫的長期作用下,產(chǎn)生永久變形的失效現(xiàn)象。晶粒沿晶界滑動產(chǎn)生形變是蠕變的主要機理。當形變溫度升高到0.35~0.7Tm(Tm是熔點的絕對溫度)時,晶界附近的薄層區(qū)域內(nèi)發(fā)生恢復而軟化,形變得以進行。變形后又產(chǎn)生畸變,于是需要再恢復和再軟化,以保持形變在這些區(qū)域中繼續(xù)進行,這就是所謂的晶界滑動。由于恢復需要一定溫度和時間,因而晶界滑動要在高于某一定溫度的條件下才能進行。
金屬拉伸蠕變曲線,它分為三個階段:
第一階段,蠕變速率由快逐漸變緩,它與晶體缺陷的重新分布有關(guān)。
第二階段,表明硬化與恢復這兩種機理處于平衡狀態(tài),蠕變速率恒定。這一階段在蠕變的全過程中占據(jù)較大的比例。
第三階段,表現(xiàn)為蠕變速率加快,此時金屬的形變硬化已不足以阻止金屬的變形,而且有效截面的減小,促使蠕變速率加快,最后導致斷裂。
并非任何材料的蠕變曲線均出現(xiàn)上述三個階段,因蠕變過程使預緊零件的尺寸產(chǎn)生變化而導致失效的現(xiàn)象稱為熱松弛。如用于緊固件壓力容器法蘭盤的螺栓,在溫度和應力的長期作用下,因蠕變而伸長,導致預緊力減小,因此可能造成壓力容器的泄漏。
二、特征及判斷蠕變的最主要特征是永久變形的速度很緩慢??梢愿鶕?jù)零件的具體工況來分析,是否存在產(chǎn)生蠕變的條件(溫度、應力和時間)。沒有適當?shù)臏囟群妥銐虻臅r間,不會發(fā)生蠕變或蠕變斷裂。在蠕變斷口的最終斷裂區(qū)上,撕裂嶺不如常溫拉伸斷口上的清晰,在掃描電鏡下觀察,蠕變斷口附近的晶粒形狀往往不出現(xiàn)拉長的情況,而在高倍下,有時能見到蠕變空洞。
三、蠕變失效的鑒別方法熱松弛與塑性變形,從宏觀上均有殘余變形容易混淆。塑性斷裂與持久斷裂(或蠕變斷裂)容易混淆,因為從宏觀上看,斷裂前均有永久變形,斷口附近均有縮頸。其區(qū)別可從下列幾方面考慮。
1、在工況上的差別眾所周知,塑性變形和塑性斷裂是在拉應力作用下發(fā)生的,過程進行較快,溫度較低。熱松弛和持久斷裂是溫度和時間兩個因素起重要作用的失效過程,較高的工作溫度和較長的服役時間,是這種失效模式的必要條件。對于工況的了解除了查閱文字資料外,直接查看殘骸上有無高溫的遺痕,如氧化色等。分析工況時要很慎重,例如某高溫壓力容器有很長時間處于較低的壓力下工作,突然壓力升高,使連接螺栓發(fā)生斷裂,對此只有在具體地了解有關(guān)壓力、溫度及在不同工況下的服役時間,才能具體判別是否發(fā)球蠕變失效。
2、斷口形貌的差別塑性斷口上韌窩非常清晰,微孔聚合的部位比較尖銳,在掃描電鏡下觀察這些地方呈現(xiàn)白亮線條。蠕變斷口上,微孔聚合的地方比較鈍,在掃描電鏡下觀察,這些地方?jīng)]有明顯的白亮線。蠕變斷口上,有可能看到氧化色,有時還能見到蠕變孔洞。
3、斷口附近的金相組織蠕變多為沿晶斷裂,而塑性斷裂多為穿晶型斷裂。經(jīng)蠕變的樣品中,有可能看到蠕變孔洞,此外,碳鋼長時間在高溫下停留,碳化物會發(fā)生一定程度的石磨化。
四、提高蠕變抗力的措施1.設計方面根據(jù)產(chǎn)品的特點,正確地選擇材料和確定零件尺寸至關(guān)重要。近年來為適應產(chǎn)品的使用溫度和負載不斷提高的要求,研制出不少新材料,但是能夠提供給設計人員使用的蠕變性能數(shù)據(jù)卻不夠充分。在這種情況下,一方面有可能出現(xiàn)由于設計的應力水平偏高而導致早期失效。另一方面也可能設計過于保守,而造成不必要的浪費。例如,熱電站的設計壽命一般為10萬h。在我國有很多540度,10MPa電站高壓鍋爐的主蒸汽管道貌岸然已相繼達到設計壽命,但根據(jù)最近的壽命估算指出,可以有把握將這些鍋爐的使用壽命延長到20萬h。
一般說來,這種失效形式需要較長的時間,因此反應速度遲緩,有效的措施是根據(jù)材料蠕變性能的測試和積累,進一步研究決定。
2.制造方面嚴格質(zhì)量管理,避免不符合技術(shù)規(guī)范的零件裝配產(chǎn)品,這對失效周期較長的產(chǎn)品,尤為重要。當然,具體的措施應在產(chǎn)品服役中的失效分析基礎(chǔ)上形成。
3.使用時采用措施超負荷使用是產(chǎn)品蠕變失效的常見原因,因此在使用中嚴格控制使用條件,是提高產(chǎn)品壽命和可靠性的最為重要的措施。加強對正在服役的產(chǎn)品,以及關(guān)鍵零件的質(zhì)量狀況進行監(jiān)控,是保證產(chǎn)品可靠性的有效措施。