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今天要講一個(gè)把金屬小棒棒們關(guān)到“煉丹爐”里，持續(xù)燒烤了40多年的研究。
在位于東京目黑區(qū)的日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）里，有個(gè)15*50平方米大的房間，房間里掛著380個(gè)類似于烤爐的儀器，這些儀器里面日夜烘烤著一些金屬辣條。
金屬條們正在做日復(fù)一日的蠕變試驗(yàn)。
什么是蠕變試驗(yàn)？
這就要從用久了會(huì)炸的高壓鍋說起了。
金屬蠕變導(dǎo)致的災(zāi)難性后果
鋼鐵、鋁合金等金屬材料雖然已經(jīng)很硬了，但也不是永遠(yuǎn)不會(huì)損壞的物質(zhì)。在高溫下，金屬會(huì)像塑料那樣隨時(shí)間變形拉伸，最后破裂，這就是蠕變。當(dāng)然，某些材料，比如鉛和玻璃在常溫下也會(huì)發(fā)生蠕變，但是速率比較低。
火力發(fā)電站的金屬管道要承受高溫高壓
火力發(fā)電廠的管道、你家的高壓鍋、渦輪葉片、核電站的容器就是這樣的高溫高壓環(huán)境。為了防止這些設(shè)施設(shè)備爆炸出事故，就需要仔細(xì)研究金屬在高溫和應(yīng)力下的反應(yīng)。
飛機(jī)噴氣引擎里的金屬蠕變 @westmoreland mech
有人說看看教科書，用理論進(jìn)行計(jì)算不就好了？
不不不。教科書上一般說，蠕變會(huì)經(jīng)歷幾個(gè)階段，每個(gè)階段會(huì)如何如何，但是實(shí)證數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)和教科書有所差異。
比如，奧氏體不銹鋼（最常見的不銹鋼，產(chǎn)量約占所有不銹鋼的2/3，用于制造餐具，外科手術(shù)器械等）SUS316在高壓下的蠕變行為類似于教科書的描述，但是在低壓情況下的蠕變速率（單位時(shí)間的蠕變變形）卻和教科書不一致。
用途廣泛的馬氏體不銹鋼
另外，在設(shè)計(jì)高溫中運(yùn)作的機(jī)械時(shí)，需要在材料的無蠕變（NC）或者可忽略蠕變（NEC）區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，因此必須要提前進(jìn)行測試，蠕變試驗(yàn)就是這樣出現(xiàn)的。
聽起來蠕變測試和一般的實(shí)驗(yàn)沒有什么不同嘛。
啊不。一般來說，蠕變測試要持續(xù)2000小時(shí)（83天）以上才能得出有效數(shù)據(jù)。而想要設(shè)定高溫下拉應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)的話，則要做10萬小時(shí)（11.4年）的測試，而全世界能夠進(jìn)行10萬小時(shí)以上的蠕變測試的科研機(jī)構(gòu)并不多。
一起來看看，持續(xù)了40年的蠕變測試到底是怎么做的吧。
NIMS 的前身是日本國立金屬研究所（NRIM）。日本的材料學(xué)研究起步比歐洲晚，但是該研究所從1969年開始就在進(jìn)行金屬蠕變測試。
在 NIMS 的這個(gè)測試間里，需要經(jīng)受高溫考驗(yàn)的材料，比如用來建造管道的金屬被制成這樣的長條狀。
然后這種金屬長條被放在恒定的高溫中烘烤，同時(shí)一直被重物拉扯。
來看一下這種蠕變測試儀器。
這個(gè)儀器有一個(gè)加熱器——電氣爐，它負(fù)責(zé)制造恒定的高溫環(huán)境，上下波動(dòng)不超過1.5攝氏度。
金屬樣品被插入這個(gè)測試臺(tái)中。在 NIMS 的實(shí)驗(yàn)室里，受測金屬包括制造蒸汽渦輪機(jī)、鍋爐、熱交換器、核反應(yīng)容器的材料。
接著，要在受測金屬上掛上溫度計(jì)和一個(gè)測量金屬拉伸程度的儀器。
整套裝備被塞入電氣爐中。
最后，在金屬下方掛上砝碼。這些重物會(huì)從下方拉扯金屬，對受測金屬施加恒定的拉力。
然后電氣爐開始加熱。
這個(gè)房間里的金屬要被測試10萬小時(shí)以上。2009年6月18日，NIMS 的蠕變測試時(shí)長已經(jīng)達(dá)到了348 310小時(shí)，僅次于德國西門子的記錄——356 463小時(shí)，但是西門子的相關(guān)實(shí)驗(yàn)在2000年終止了。
而到了2011年2月27日，NIMS 取代了西門子，取得了世界上最久的的蠕變測試數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間超過了14 853天（40.7年）。到了2015年，NIMS 的金屬蠕變測試依舊在繼續(xù)。
創(chuàng)下了世界紀(jì)錄的材料是含碳0.3%的鋼材，它是用來制造鍋爐和壓力容器的材料，實(shí)驗(yàn)條件是400攝氏度的高溫和294兆帕的高壓。
鋼材經(jīng)歷40年蠕變后的結(jié)果
持續(xù)了40年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于全世界的科學(xué)家和企業(yè)來說都是珍貴的資料。
歐洲蠕變合作委員會(huì)（ECCC）表示，NIMS 的蠕變測試數(shù)據(jù)是受到國際承認(rèn)的金屬標(biāo)準(zhǔn)化參考依據(jù)。許多科研論文也都會(huì)參照這些數(shù)據(jù)。
比如，2016年，歐盟的一項(xiàng)材料標(biāo)準(zhǔn)制定研究中對歐洲壓力容器用鋼板X10CrMoVNb9-1（可以制造制造反應(yīng)器、換熱器、分離器、球罐、油氣罐、液化氣罐、核能反應(yīng)堆）的計(jì)算就基于 NIMS 的數(shù)據(jù)。
NIMS 的蠕變測試的數(shù)據(jù)被印發(fā)給470個(gè)日本科研單位和企業(yè)，以及超過220個(gè)海外機(jī)構(gòu)。2003年4月開始，這些數(shù)據(jù)可以在線下載了。2004年，NIMS 和中科院也達(dá)成了合作。
2018年，NIMS 又更新了一波蠕變測試數(shù)據(jù)。而隨著新數(shù)據(jù)的出爐，發(fā)電站的安全標(biāo)準(zhǔn)也要進(jìn)行相應(yīng)的更改。比如，NIMS 的研究發(fā)現(xiàn)，鋼材強(qiáng)度隨時(shí)間的蠕變比以前的估計(jì)要大，因此實(shí)際上發(fā)電站的管道替換頻率應(yīng)當(dāng)提高。
作者：把科學(xué)帶回家
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發(fā)表于 2019-12-10 16:11:39
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