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今天要講一個把金屬小棒棒們關(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)材料研究機構(gòu)（NIMS）里，有個15*50平方米大的房間，房間里掛著380個類似于烤爐的儀器，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。
什么是蠕變試驗？
這就要從用久了會炸的高壓鍋說起了。
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)不會損壞的物質(zhì)。在高溫下，金屬會像塑料那樣隨時間變形拉伸，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)行計算不就好了？
不不不。教科書上一般說，蠕變會經(jīng)歷幾個階段，每個階段會如何如何，但是實證數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實和教科書有所差異。
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)計高溫中運作的機械時，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，蠕變試驗就是這樣出現(xiàn)的。
聽起來蠕變測試和一般的實驗沒有什么不同嘛。
啊不。一般來說，蠕變測試要持續(xù)2000小時（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（11.4年）的測試，而全世界能夠進(jìn)行10萬小時以上的蠕變測試的科研機構(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 的這個測試間里，需要經(jīng)受高溫考驗的材料，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，同時一直被重物拉扯。
來看一下這種蠕變測試儀器。
這個儀器有一個加熱器——電氣爐，它負(fù)責(zé)制造恒定的高溫環(huán)境，上下波動不超過1.5攝氏度。
金屬樣品被插入這個測試臺中。在 NIMS 的實驗室里，受測金屬包括制造蒸汽渦輪機、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和一個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。
這個房間里的金屬要被測試10萬小時以上。2009年6月18日，NIMS 的蠕變測試時長已經(jīng)達(dá)到了348 310小時，僅次于德國西門子的記錄——356 463小時，但是西門子的相關(guān)實驗在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)，實驗持續(xù)時間超過了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，實驗條件是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年的實驗數(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（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參照這些數(shù)據(jù)。
比如，2016年，歐盟的一項材料標(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個日本科研單位和企業(yè)，以及超過220個海外機構(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)，鋼材強度隨時間的蠕變比以前的估計要大，因此實際上發(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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