船用5083鋁合金蠕變試驗研究

鐘星海+朱小楠

摘 要：本文介紹鋁合金材料（包括焊后材料）的長時間加溫拉伸試驗，試驗溫度及溫度變化歷程模擬我國南方地區(qū)夏天戶外環(huán)境，持續(xù)時間6個月。通過對蠕變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，論述5083鋁合金在特定工況下可能發(fā)生蠕變的程度以及卸載后的恢復(fù)情況，探討蠕變現(xiàn)象對5083鋁合金船體變形的影響。

關(guān)鍵詞：5083鋁合金 船體變形 蠕變

中國分類號：U668.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper introduces the high-temperature tensile test of aluminum alloy 5083，the test temperature and temperature variation are simulated according to summer outdoor environment of south region and the duration is 6 months. Through data analysis of the creep test， this paper discusses the creep degree of aluminum alloy 5083 under special conditions， recovery after unloading and influence of creep on deformation of hull made of aluminum alloy 5083.

Key words： Aluminum alloy 5083； Deformation of hull； Creep

1 前言

蠕變通常指溫度不變、載荷不變的條件下，物體的變形隨著時間的增長而緩慢增大的現(xiàn)象。相對于鋼質(zhì)材料，鋁合金材料剛度較低、塑性好。長期擱置狀態(tài)鋁合金材料是否會發(fā)生蠕變，從而導(dǎo)致船體產(chǎn)生較大或不易恢復(fù)的變形。本文以5083船用鋁合金材料為研究對象，開展長時間加溫拉伸試驗。通過分析試驗結(jié)果，論述5083鋁合金在特定工況下可能發(fā)生蠕變的程度以及卸載后的恢復(fù)情況，并在此基礎(chǔ)上探討蠕變現(xiàn)象對5083鋁合金船體變形的影響。

2 5083鋁合金材料力學(xué)特性

鋁-鎂系合金是一種具有中等強度、優(yōu)良的耐蝕性和可焊性的非熱處理強化合金。該系合金在海水和海洋大氣條件下，不僅具有優(yōu)良的抵抗一般腐蝕的性能，而且可以消除剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕傾向，其焊接性能在鋁合金中也是優(yōu)秀的。該系合金是唯一可用于船體建造的鋁合金。由于5083合金具有的強度、耐蝕性和工藝性等綜合性能最好，在船體建造中5083鋁合金比其它鋁-鎂合金應(yīng)用更廣泛，其機械性能如表1所示。

3 拉伸試驗方案

3.1 試驗應(yīng)力范圍

考慮到試驗應(yīng)力值接近材料的屈服強度時，材料更多地表現(xiàn)為其屈服特性，蠕變的特性則難以確定。因此，將試驗方案中的最大測試應(yīng)力限定在200 MPa，焊材限定在100 MPa。拉伸試驗應(yīng)力級確定，見表2。

3.2 試驗持續(xù)時間

通過實地調(diào)研，最長的駐排時間一般都在4～5個月之間，最長不超過6個月，所以選定6個月作為持續(xù)拉伸試驗時間。

3.3 試驗溫度及溫度歷程

試驗中必須考慮到溫度對材料蠕變的影響。為真實地反映長期擱置的實際情況，通過調(diào)研決定了試驗溫度及其變化歷程。根據(jù)氣象局提供的資料，平均每年南方地區(qū)地表溫度最高可達(dá)到55 ℃，考慮到船體溫度會略高于地表溫度，所以選定60 ℃為溫度上限。試驗溫度及溫度變化歷程模擬了我國南方熱帶地區(qū)的情況，從早上8時開始是升溫過程，到17時左右溫度會下降，白天時間保持在60 ℃。

4 試驗情況及結(jié)果分析

按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2039-1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》，在自己制作的控溫箱內(nèi)拉伸鋁板條（圖1）。試驗機保持恒拉力，確保各剖面達(dá)到表2要求的恒拉應(yīng)力。在各試件、各剖面貼應(yīng)變片，2片串聯(lián)組成1/4電橋測應(yīng)變，設(shè)置溫度補償片，用應(yīng)變儀聯(lián)機自動測量，可準(zhǔn)確測出純拉蠕變應(yīng)變。連續(xù)6個月每天記錄有關(guān)數(shù)據(jù)（圖2、圖3），其中圖2為母材試驗數(shù)據(jù)，圖3為焊材試驗數(shù)據(jù)，散點為微應(yīng)變試驗測量值，右側(cè)數(shù)值表示應(yīng)力等級。

從圖2、圖3可以看出：（1）隨著時間的增加，微變形隨之增加；（2）每個應(yīng)力等級的最大微應(yīng)變，發(fā)生在180天即最長時間點；（3）在相同時間點，應(yīng)力等級越大，微應(yīng)變越大；（ 4 ）相同時間點和相同應(yīng)力等級條件下，焊材的微應(yīng)變大于母材的微應(yīng)變。

試驗數(shù)據(jù)顯示：5083母材在200 Mpa應(yīng)力等級、180天，最大微應(yīng)變量為0.000 317。假設(shè)構(gòu)件尺寸為600 mm（肋距），且材料產(chǎn)生最大蠕變量，則由微應(yīng)變引起的變形0.000 317X600=0.190 2 m 一般而言，應(yīng)變量對工程結(jié)構(gòu)要產(chǎn)生影響，其值至少要達(dá)到相當(dāng)于同時發(fā)生的彈性應(yīng)變量的量級。據(jù)相關(guān)資料，船體大部分彈性變形量在10 mm左右，根據(jù)本試驗獲得的數(shù)據(jù)近似推算，要達(dá)到此彈性應(yīng)變量，其時間至少需要800天。

在完成連續(xù)拉伸試驗后，本研究還設(shè)置了卸載試驗，考察材料是否會發(fā)生應(yīng)變滯后現(xiàn)象。試驗顯示卸載結(jié)果與一般彈性拉伸試驗的卸載結(jié)果相同，即卸載結(jié)束后應(yīng)變即刻回歸至零。

5 結(jié)束語

對于在高溫條件下，5083鋁合金船體在長期靜恒載荷作用下是否會發(fā)生蠕變，以及對艇體結(jié)構(gòu)是否會產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形影響，通過6個月的加溫拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的超出實際加載的線彈性應(yīng)變的應(yīng)變增量很微小，卸載試驗顯示材料沒有產(chǎn)生應(yīng)變滯后現(xiàn)象。因此，5083鋁合金蠕變對船體的變形影響可以忽略不計。

參考文獻(xiàn)

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