金属小棒棒抓起来烧烤了40年-蠕变试验

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今天要讲一个把金属小棒棒们关到“炼丹炉”里，持续烧烤了40多年的研究。

                     

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在位于东京目黑区的日本物质材料研究机构（NIMS）里，有个15*50平方米大的房间，房间里挂着380个类似于烤炉的仪器，这些仪器里面日夜烘烤着一些金属辣条。

                     

金属条们正在做日复一日的蠕变试验。

什么是蠕变试验？

这就要从用久了会炸的高压锅说起了。

                     

金属蠕变导致的灾难性后果

钢铁、铝合金等金属材料虽然已经很硬了，但也不是永远不会损坏的物质。在高温下，金属会像塑料那样随时间变形拉伸，最后破裂，这就是蠕变。当然，某些材料，比如铅和玻璃在常温下也会发生蠕变，但是速率比较低。

                     

火力发电站的金属管道要承受高温高压

火力发电厂的管道、你家的高压锅、涡轮叶片、核电站的容器就是这样的高温高压环境。为了防止这些设施设备爆炸出事故，就需要仔细研究金属在高温和应力下的反应。

                     

飞机喷气引擎里的金属蠕变

@westmoreland mech

有人说看看教科书，用理论进行计算不就好了？

不不不。教科书上一般说，蠕变会经历几个阶段，每个阶段会如何如何，但是实证数据发现，现实和教科书有所差异。

比如，奥氏体不锈钢（最常见的不锈钢，产量约占所有不锈钢的2/3，用于制造餐具，外科手术器械等）SUS316在高压下的蠕变行为类似于教科书的描述，但是在低压情况下的蠕变速率（单位时间的蠕变变形）却和教科书不一致。

                      

                      

用途广泛的马氏体不锈钢

另外，在设计高温中运作的机械时，需要在材料的无蠕变（NC）或者可忽略蠕变（NEC）区域内进行，因此必须要提前进行测试，蠕变试验就是这样出现的。

听起来蠕变测试和一般的实验没有什么不同嘛。

啊不。一般来说，蠕变测试要持续2000小时（83天）以上才能得出有效数据。而想要设定高温下拉应力的标准的话，则要做10万小时（11.4年）的测试，而全世界能够进行10万小时以上的蠕变测试的科研机构并不多。

一起来看看，持续了40年的蠕变测试到底是怎么做的吧。

                     

NIMS 的前身是日本国立金属研究所（NRIM）。日本的材料学研究起步比欧洲晚，但是该研究所从1969年开始就在进行金属蠕变测试。

在 NIMS 的这个测试间里，需要经受高温考验的材料，比如用来建造管道的金属被制成这样的长条状。

                     

然后这种金属长条被放在恒定的高温中烘烤，同时一直被重物拉扯。

                     

来看一下这种蠕变测试仪器。

这个仪器有一个加热器——电气炉，它负责制造恒定的高温环境，上下波动不超过1.5摄氏度。

                     

金属样品被插入这个测试台中。在 NIMS 的实验室里，受测金属包括制造蒸汽涡轮机、锅炉、热交换器、核反应容器的材料。

                     

接着，要在受测金属上挂上温度计和一个测量金属拉伸程度的仪器。

                     

整套装备被塞入电气炉中。

                     

最后，在金属下方挂上砝码。这些重物会从下方拉扯金属，对受测金属施加恒定的拉力。

                     

然后电气炉开始加热。

                     

这个房间里的金属要被测试10万小时以上。2009年6月18日，NIMS 的蠕变测试时长已经达到了348 310小时，仅次于德国西门子的记录——356 463小时，但是西门子的相关实验在2000年终止了。

而到了2011年2月27日，NIMS 取代了西门子，取得了世界上最久的的蠕变测试数据，实验持续时间超过了14 853天（40.7年）。到了2015年，NIMS 的金属蠕变测试依旧在继续。

创下了世界纪录的材料是含碳0.3%的钢材，它是用来制造锅炉和压力容器的材料，实验条件是400摄氏度的高温和294兆帕的高压。

                     

钢材经历40年蠕变后的结果

持续了40年的实验数据，对于全世界的科学家和企业来说都是珍贵的资料。

欧洲蠕变合作委员会（ECCC）表示，NIMS 的蠕变测试数据是受到国际承认的金属标准化参考依据。许多科研论文也都会参照这些数据。

比如，2016年，欧盟的一项材料标准制定研究中对欧洲压力容器用钢板X10CrMoVNb9-1（可以制造制造反应器、换热器、分离器、球罐、油气罐、液化气罐、核能反应堆）的计算就基于 NIMS 的数据。

                     

NIMS 的蠕变测试的数据被印发给470个日本科研单位和企业，以及超过220个海外机构。2003年4月开始，这些数据可以在线下载了。2004年，NIMS 和中科院也达成了合作。

                     

2018年，NIMS 又更新了一波蠕变测试数据。而随着新数据的出炉，发电站的安全标准也要进行相应的更改。比如，NIMS 的研究发现，钢材强度随时间的蠕变比以前的估计要大，因此实际上发电站的管道替换频率应当提高。

                     

所以...当年孙悟空被太上老君的炼丹炉关了七七四十九天后冲出来，大声叫了一声...

“我蠕变了！”

本文转载自公众号“把科学带回家”（ID：steamforkids）

https://c.m.163.com/news/a/EUROHEUD0511C4OP.html?spss=newsapp