電纜用Al-Fe系鋁合金導(dǎo)體材料的恒應(yīng)力高溫壓縮蠕變行為

李國(guó)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(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng),我國(guó)的電力消費(fèi)規(guī)模也逐年增大,國(guó)家因此持續(xù)加大了對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的投資力度。電線電纜作為電網(wǎng)系統(tǒng)中電力傳輸?shù)妮d體,一旦出現(xiàn)問(wèn)題,就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)部分?jǐn)嗑W(wǎng),產(chǎn)生不可預(yù)估的損失,因此電線電纜對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。架空導(dǎo)線由于長(zhǎng)時(shí)間受到拉應(yīng)力作用,會(huì)發(fā)生塑蠕伸長(zhǎng),使得架空線檔距內(nèi)長(zhǎng)度增加,弧垂永久性增大,導(dǎo)致導(dǎo)線對(duì)地或物的距離變短,嚴(yán)重影響線路的安全運(yùn)行[1];電纜接頭處一般通過(guò)壓接金具在受壓狀態(tài)下連接電纜導(dǎo)線,而導(dǎo)線由于電力傳輸過(guò)程中的電流熱效應(yīng)會(huì)在短期內(nèi)升溫至100 ℃甚至更高的溫度,使得電纜接頭在相關(guān)應(yīng)力和溫度的作用下發(fā)生壓縮蠕變,產(chǎn)生應(yīng)力松弛,影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[2]。因此,導(dǎo)體材料的蠕變性能對(duì)架空導(dǎo)線和電纜影響巨大。影響蠕變的因素主要包括溫度、載荷、時(shí)間、合金成分和顯微組織等。鋁合金導(dǎo)體材料因具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、密度小、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì),近些年來(lái)被廣泛應(yīng)用于架空導(dǎo)線、電纜等領(lǐng)域。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁合金蠕變性能的研究主要集中在兩個(gè)方面[3]:一是研究蠕變機(jī)制和冶金因素對(duì)蠕變性能的影響,并通過(guò)優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)和添加微量元素來(lái)提高鋁合金導(dǎo)體材料的蠕變性能[4-6];二是通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)分析蠕變規(guī)律,研究蠕變應(yīng)力、應(yīng)變、溫度及時(shí)間對(duì)鋁合金導(dǎo)體材料蠕變行為的影響等[7-9]。常玉琳等[10]通過(guò)添加稀土和鋯元素,提高了鋁合金導(dǎo)體在高溫下的蠕變性能。張虎等[11]根據(jù)不同鋁鋼截面比的鋁導(dǎo)線蠕變特性曲線,計(jì)算得到架空導(dǎo)線的最佳鋁鋼截面比和導(dǎo)線降溫值。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,大家更加關(guān)注在架設(shè)輸電線路時(shí),由于導(dǎo)線自重而導(dǎo)致的拉伸蠕變問(wèn)題[12-13],對(duì)于電纜運(yùn)行過(guò)程中因受到壓應(yīng)力而產(chǎn)生的導(dǎo)線連接處壓縮蠕變研究較少[14-15]。為此,作者對(duì)電纜用Al-Fe系鋁合金導(dǎo)體材料進(jìn)行了恒應(yīng)力高溫壓縮蠕變?cè)囼?yàn),分析了其壓縮蠕變行為,研究了蠕變應(yīng)力對(duì)穩(wěn)態(tài)蠕變速率的影響,建立了壓縮蠕變本構(gòu)方程,探討了壓縮蠕變機(jī)制,以期為導(dǎo)線狀態(tài)評(píng)估平臺(tái)建立、導(dǎo)線失效及壽命研究提供理論參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.10Si,0.45Fe,0.20Cu,0.05Mg,0.05Zn,余Al,符合GB/T 30552-2014要求。根據(jù)GB/T 4909.3-2009,采用C44.304型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),測(cè)定抗拉強(qiáng)度。選取抗拉強(qiáng)度分別為90.8,91.4,103.7,111.8,121.0 MPa的試驗(yàn)合金,制成高20 mm、直徑8 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣,根據(jù)GB/T 30552-2014,采用RDL10型高溫電子蠕變機(jī)進(jìn)行壓縮蠕變?cè)囼?yàn),壓縮應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度的70%,蠕變時(shí)間均為100 h,試驗(yàn)溫度為90 ℃(試驗(yàn)前在90 ℃保溫30 min),升溫過(guò)程保持400 N的預(yù)加載荷。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)態(tài)蠕變速率

材料的蠕變過(guò)程一般包括初始蠕變階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段和加速蠕變階段。在初始蠕變階段,蠕變應(yīng)變隨蠕變時(shí)間的延長(zhǎng)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(wěn)態(tài)蠕變階段,材料在加工硬化和回復(fù)軟化之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,雖然蠕變應(yīng)變隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,但蠕變速率趨于穩(wěn)定;在加速蠕變階段,蠕變速率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)急劇增加,直至材料斷裂[15]。由圖1可見(jiàn):試樣的蠕變曲線只有初始蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段,蠕變應(yīng)變隨蠕變時(shí)間的延長(zhǎng)先快速增大后緩慢增大;隨壓縮應(yīng)力增大蠕變應(yīng)變?cè)龃?。?duì)穩(wěn)態(tài)蠕變階段曲線進(jìn)行線性擬合可得壓縮應(yīng)力分別為63.6,72.6,78.3,84.7 MPa時(shí),試樣的穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)蠕變速率對(duì)壓縮應(yīng)力的變化敏感,穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨著壓縮應(yīng)力的增加成倍增大。

圖1 試樣在90 ℃不同壓縮應(yīng)力下的蠕變曲線和穩(wěn)態(tài)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(gòu)方程

蠕變本構(gòu)方程用于表示蠕變應(yīng)力、蠕變溫度和蠕變速率之間的關(guān)系[16-18]。在材料蠕變過(guò)程中,穩(wěn)態(tài)蠕變階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),是材料蠕變過(guò)程中最重要的一部分,根據(jù)穩(wěn)態(tài)蠕變速率可以初步判斷穩(wěn)態(tài)蠕變階段材料的抗蠕變性能。材料穩(wěn)態(tài)蠕變速率和應(yīng)力的關(guān)系符合諾頓方程[2],計(jì)算公式如下:

(1)

式(1)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可得

(2)

由于試驗(yàn)溫度保持90 ℃不變,因此lnA-Q/(RT)為常數(shù),令

B=lnA-Q/(RT)

(3)

則式(2)可簡(jiǎn)化為

(4)

圖2 試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率-壓縮應(yīng)力對(duì)數(shù)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(yàn)合金蠕變本構(gòu)方程,為

(6)

2.3 蠕變機(jī)制

根據(jù)n的大小可以推測(cè)出材料的蠕變機(jī)制[19-20]:當(dāng)n為1時(shí),材料的蠕變變形主要受擴(kuò)散控制;當(dāng)n為2時(shí),蠕變主要由晶界滑動(dòng)導(dǎo)致;當(dāng)n為3時(shí),蠕變與位錯(cuò)滑移機(jī)制有關(guān);當(dāng)n為4～6時(shí),蠕變主要與位錯(cuò)攀移有關(guān)。鋁合金的蠕變現(xiàn)象主要是由其內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起,其n一般為3～5[21]。然而,用諾頓方程擬合得到試驗(yàn)合金的n為 9.27,與已有結(jié)論不符。通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),材料發(fā)生蠕變的過(guò)程中可能存在蠕變門檻應(yīng)力[22-24]。蠕變門檻應(yīng)力是材料中溶質(zhì)原子或第二相粒子等阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的阻礙力,當(dāng)外加應(yīng)力低于此值時(shí),材料將不發(fā)生蠕變行為,這會(huì)導(dǎo)致無(wú)法憑所得應(yīng)力指數(shù)判斷蠕變機(jī)制。因此,在諾頓方程中引入門檻應(yīng)力進(jìn)行修正,修正后的公式如下:

(7)

式中:A1為常數(shù);σm為蠕變門檻應(yīng)力;n1為真應(yīng)力指數(shù)。

同樣的,exp[-Q/(RT)]可視為常數(shù),令

C=A1exp[-Q/(RT)]

(8)

式(7)可簡(jiǎn)化為

(9)

因蠕變門檻應(yīng)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(qiáng)度為91.4 MPa的試樣進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率試驗(yàn)值為1.12×10-7,根據(jù)式(11)計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為1.22×10-7,兩者的相對(duì)誤差為8%,證明模型準(zhǔn)確。鋁合金蠕變是擴(kuò)散蠕變、晶界滑移和位錯(cuò)蠕變等機(jī)制的綜合體現(xiàn),哪種機(jī)制起主導(dǎo)作用常取決于其所承受的應(yīng)力和溫度[25]。在鋁合金導(dǎo)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(duì)鋁合金產(chǎn)生強(qiáng)化作用,使得鋁合金的抗蠕變能力增強(qiáng),即產(chǎn)生固溶強(qiáng)化類蠕變和第二相粒子強(qiáng)化類蠕變。試驗(yàn)用鋁合金導(dǎo)體材料的蠕變應(yīng)力指數(shù)超過(guò)6,并且存在門檻應(yīng)力,可判斷其屬于第二相粒子強(qiáng)化類蠕變,另外其真應(yīng)力指數(shù)為5,說(shuō)明鋁合金導(dǎo)體材料的蠕變主要是由位錯(cuò)攀移機(jī)制主導(dǎo)。

3 結(jié) 論

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