電纜用Al-Fe系鋁合金導體材料的恒應力高溫壓縮蠕變行為

李國興,黨 朋,張永甲,蔡西川

(上海電纜研究所有限公司,特種電纜技術國家重點實驗室,上海 200093)

0 引 言

隨著國民經濟的穩步增長,我國的電力消費規模也逐年增大,國家因此持續加大了對電網系統的投資力度。電線電纜作為電網系統中電力傳輸的載體,一旦出現問題,就會導致系統部分斷網,產生不可預估的損失,因此電線電纜對于電網系統的安全穩定運行有著至關重要的作用。架空導線由于長時間受到拉應力作用,會發生塑蠕伸長,使得架空線檔距內長度增加,弧垂永久性增大,導致導線對地或物的距離變短,嚴重影響線路的安全運行[1];電纜接頭處一般通過壓接金具在受壓狀態下連接電纜導線,而導線由于電力傳輸過程中的電流熱效應會在短期內升溫至100 ℃甚至更高的溫度,使得電纜接頭在相關應力和溫度的作用下發生壓縮蠕變,產生應力松弛,影響結構穩定[2]。因此,導體材料的蠕變性能對架空導線和電纜影響巨大。影響蠕變的因素主要包括溫度、載荷、時間、合金成分和顯微組織等。鋁合金導體材料因具有高強度、耐腐蝕、密度小、價格低等優勢,近些年來被廣泛應用于架空導線、電纜等領域。目前,國內外對鋁合金蠕變性能的研究主要集中在兩個方面[3]:一是研究蠕變機制和冶金因素對蠕變性能的影響,并通過優化組織結構和添加微量元素來提高鋁合金導體材料的蠕變性能[4-6];二是通過蠕變試驗數據分析蠕變規律,研究蠕變應力、應變、溫度及時間對鋁合金導體材料蠕變行為的影響等[7-9]。常玉琳等[10]通過添加稀土和鋯元素,提高了鋁合金導體在高溫下的蠕變性能。張虎等[11]根據不同鋁鋼截面比的鋁導線蠕變特性曲線,計算得到架空導線的最佳鋁鋼截面比和導線降溫值。然而,在實際應用中,大家更加關注在架設輸電線路時,由于導線自重而導致的拉伸蠕變問題[12-13],對于電纜運行過程中因受到壓應力而產生的導線連接處壓縮蠕變研究較少[14-15]。為此,作者對電纜用Al-Fe系鋁合金導體材料進行了恒應力高溫壓縮蠕變試驗,分析了其壓縮蠕變行為,研究了蠕變應力對穩態蠕變速率的影響,建立了壓縮蠕變本構方程,探討了壓縮蠕變機制,以期為導線狀態評估平臺建立、導線失效及壽命研究提供理論參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為直徑9.5 mm的同批次電纜用Al-Fe系鋁合金連鑄連軋桿,其名義化學成分(質量分數/%)為0.10Si,0.45Fe,0.20Cu,0.05Mg,0.05Zn,余Al,符合GB/T 30552-2014要求。根據GB/T 4909.3-2009,采用C44.304型微機控制電子萬能試驗機進行拉伸試驗,測定抗拉強度。選取抗拉強度分別為90.8,91.4,103.7,111.8,121.0 MPa的試驗合金,制成高20 mm、直徑8 mm的標準圓柱試樣,根據GB/T 30552-2014,采用RDL10型高溫電子蠕變機進行壓縮蠕變試驗,壓縮應力為抗拉強度的70%,蠕變時間均為100 h,試驗溫度為90 ℃(試驗前在90 ℃保溫30 min),升溫過程保持400 N的預加載荷。

2 試驗結果與討論

2.1 穩態蠕變速率

材料的蠕變過程一般包括初始蠕變階段、穩態蠕變階段和加速蠕變階段。在初始蠕變階段,蠕變應變隨蠕變時間的延長而增加,但蠕變速率逐漸減小,這是材料的加工硬化能力提高所致;在穩態蠕變階段,材料在加工硬化和回復軟化之間達到動態平衡,雖然蠕變應變隨著時間的延長而增加,但蠕變速率趨于穩定;在加速蠕變階段,蠕變速率隨著時間的延長急劇增加,直至材料斷裂[15]。由圖1可見:試樣的蠕變曲線只有初始蠕變階段和穩態蠕變階段,蠕變應變隨蠕變時間的延長先快速增大后緩慢增大;隨壓縮應力增大蠕變應變增大。對穩態蠕變階段曲線進行線性擬合可得壓縮應力分別為63.6,72.6,78.3,84.7 MPa時,試樣的穩態蠕變速率(線性擬合曲線的斜率)分別為1.13×10-7,3.69×10-7,8.39×10-7,1.55×10-6h-1。由此可知,試樣的穩態蠕變速率對壓縮應力的變化敏感,穩態蠕變速率隨著壓縮應力的增加成倍增大。

圖1 試樣在90 ℃不同壓縮應力下的蠕變曲線和穩態蠕變階段線性擬合曲線Fig.1 Creep curves (a) and linear fitting curves of steady state creep stage (b) of samples under different compressive stresses at 90 ℃

2.2 蠕變本構方程

蠕變本構方程用于表示蠕變應力、蠕變溫度和蠕變速率之間的關系[16-18]。在材料蠕變過程中,穩態蠕變階段持續時間最長,是材料蠕變過程中最重要的一部分,根據穩態蠕變速率可以初步判斷穩態蠕變階段材料的抗蠕變性能。材料穩態蠕變速率和應力的關系符合諾頓方程[2],計算公式如下:

(1)

式(1)兩邊同時取對數可得

(2)

由于試驗溫度保持90 ℃不變,因此lnA-Q/(RT)為常數,令

B=lnA-Q/(RT)

(3)

則式(2)可簡化為

(4)

圖2 試樣的穩態蠕變速率-壓縮應力對數曲線Fig.2 Logarithmic curve of steady state creep rate vs compressive stress of samples

(5)

將式(5)變形得試驗合金蠕變本構方程,為

(6)

2.3 蠕變機制

根據n的大小可以推測出材料的蠕變機制[19-20]:當n為1時,材料的蠕變變形主要受擴散控制;當n為2時,蠕變主要由晶界滑動導致;當n為3時,蠕變與位錯滑移機制有關;當n為4～6時,蠕變主要與位錯攀移有關。鋁合金的蠕變現象主要是由其內部位錯運動引起,其n一般為3～5[21]。然而,用諾頓方程擬合得到試驗合金的n為 9.27,與已有結論不符。通過查閱文獻發現,材料發生蠕變的過程中可能存在蠕變門檻應力[22-24]。蠕變門檻應力是材料中溶質原子或第二相粒子等阻礙位錯運動而產生的阻礙力,當外加應力低于此值時,材料將不發生蠕變行為,這會導致無法憑所得應力指數判斷蠕變機制。因此,在諾頓方程中引入門檻應力進行修正,修正后的公式如下:

(7)

式中:A1為常數;σm為蠕變門檻應力;n1為真應力指數。

同樣的,exp[-Q/(RT)]可視為常數,令

C=A1exp[-Q/(RT)]

(8)

式(7)可簡化為

(9)

因蠕變門檻應力σm為定值,n1不為0,式(9)可變形為

(10)

圖3 試樣和σ線性擬合曲線Fig.3 Linear fit curves of vs σ of sample

(11)

在同批材料中選取抗拉強度為91.4 MPa的試樣進行試驗驗證。該試樣的穩態蠕變速率試驗值為1.12×10-7,根據式(11)計算得到的穩態蠕變速率為1.22×10-7,兩者的相對誤差為8%,證明模型準確。鋁合金蠕變是擴散蠕變、晶界滑移和位錯蠕變等機制的綜合體現,哪種機制起主導作用常取決于其所承受的應力和溫度[25]。在鋁合金導體材料中添加微量元素,其固溶到基體中或形成第二相粒子,可以對鋁合金產生強化作用,使得鋁合金的抗蠕變能力增強,即產生固溶強化類蠕變和第二相粒子強化類蠕變。試驗用鋁合金導體材料的蠕變應力指數超過6,并且存在門檻應力,可判斷其屬于第二相粒子強化類蠕變,另外其真應力指數為5,說明鋁合金導體材料的蠕變主要是由位錯攀移機制主導。

3 結 論

(1) 90 ℃下電纜用Al-Fe系鋁合金試樣的穩態蠕變速率對壓縮應力的變化敏感,穩態蠕變速率隨著壓縮應力的增加成倍增大。