ASTM E139 金属材料传导蠕变、蠕变断裂和应力断裂的标准试 验方法

金属材料传导蠕变、蠕变断裂和应力断裂的标准试验方法

1、适用范围

1.1、本标准适用于在恒定温度和恒定拉伸载荷下，测量材料由时间函数决定的变形量（蠕变试验）和加载后的断裂时间（断裂试验）。同时还规定了对试验设备的基本要求。需要参考产品的规范，来确定试验的数量和最长试验时间。

1.2、本标准列出了各试验报告中必须包括的内容。这是为了确保相关感兴趣的组织都能获得这些有用且容易获得的信息。由于以下原因，报告必须认真对待：

（1）采用不同的试验方法获得的试验结果并不相同，因此必须具体说明使用了那种试验方法；（2）实验报告中缺少详细信息往往会妨碍后续研究中重要试验变量的确定；（3）由于持久试验的时间很长，一般很少重复试验，并且很难保证一些变量始终保持在推荐范围以内。一份详细的报告，并不需要包括所有不在控制精度范围内的试验数据

1.3、本标准不包括缺口试样的试验，这些试验在E292中有详细规定 1.4、本标准不包括短时试验，短时试验在E 21中有详细规定。 1.5、本标准中所有单位都采用国际单位。

1.6、本标准不对所有的安全问题负责，使用本标准的用户有责任建立必要的安全保障并根据需要，对标准的适用范围限制进行调整。 2、引用标准 2.1、ASTM标准：

E4 测试仪的负荷校准 E6 机械试验方法的有关术语 E8 金属材料的拉伸试验方法 E21 金属材料的高温抗拉试验方法

E29使用试验数据中重要数字以确定对规范的适应性 E74检验试验机力示值用测力仪的校准 E83伸长仪的检验和分类

E177 ASTM试验方法中精密度和偏倚术语的使用 E220用比较技术校准热电偶的标准试验方法 E292材料断裂时间的凹口张力试验

E633空气中1800°F(1000℃)作蠕变和应力断裂试验使用热电偶的规则

E1012在拉伸负载下试样调直的验证 2.2、军事标准

MIL-STD-120 量规检验 3、术语

3.1、定义：E6部分的术语与蠕变试验相关的术语的定义应该适用于实践。正是出于这个目的，使用了以下一些更通用的术语。 3.2、本标准使用的术语的定义：

3.2.1、轴向应变：从试样轴向两端相同距离处测量的应变的平均值。 3.2.2、弯曲应变：试样表面应变和轴向应变之间的差值。通常它在围绕和沿着试样颈缩面的方向上变化。

3.2.2.1、最大弯曲应变：沿光滑试样的长度方向，在其颈缩处测量的应变。

3.2.3、蠕变：材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。

3.2.4、蠕变断裂试验：观察试样变形过程并获得其断裂时间的试验。通常试样的变形量要比蠕变试验的大。

3.2.5、蠕变试验：观察试样加载应力低于断裂应力时的蠕变现象，并测量蠕变速率的试验。由于试样的应变量很小，所以试验需要采用引伸计。

3.2.6、标距长度：试样标识之间的长度，用于计算试样断裂后的伸长率

3.2.7、缩颈长度：过渡圆弧与缩颈部分的切点间的距离

3.2.8、加载后的塑性变形：加载后产生的变形，在外力去除后变形消失而恢复原状。在应力应变曲线中呈线性的部分

3.2.9、试样的缩颈：试样的中心部分横截面面积比试样夹持部位横截面面积小

3.2.10、加载后的变形：从开始加载到全部加载完成后的变形 3.2.11、应力断裂试验：测量断裂时间的试验，试验中不测量试样的变形

3.2.12、在规定时间的总的塑性应变：相当于加载后的塑性应变加蠕变应变

3.2.13、在规定时间的总应变：加载后的应变加蠕变

4、意义和用途

4.1、断裂试验主要是提供材料负载的能力（断裂时间），蠕变试验主要是测在低于断裂应力下的应变，这两种试验在提供材料负载能力方面相互补充。在选择材料和高于运行温度下的设计数据时，使用试验数据的类型取决于那种负载能力数据更能反映材料的服役性能。 5、设备 5.1、试验机 5.2、加热设备 5.3、温度测量设备 5.4、引伸计 5.5、室温控制

5.5.1、测量变形时的试验室温度应在试样加载时试验室温度的±3℃以内

5.6、计时设备

对于断裂试验，记录的从加载到试样断裂的累计时间误差不超过1%。（GB/T 2039规定不超过0.2%） 6、试样

试样的类型、尺寸等详细要求见E8 7、设备的校验和标准化 8、试验步骤

8.1、横截面面积的测量：

按照E8规定的试样尺寸测量方法，确定试样的最小横截面面积。

8.2、原始计算长度的测量：

8.2.1、没有特别的说明，圆形试样的标距为4D，矩形试样的标距为宽度的4倍。在试样上打孔或划线，以定出标距。

注：试样的尺寸不一样，其测定的伸长率没有可比性。对材料相同的试样进行试验，如果试样的厚度不一样，将试样的横截面面积开平方，再乘以4.5倍作为标距，我们仍然得不到相同的伸长率。 8.2.2、当试样缩颈的长度和直径之比比标准大很多时，标距应该接近直径而小于长度。

注：材料的伸长率与标距的长度有很大的关系。我们在测量伸长率时，习惯用直径的4倍作为标距，但是标距大于或小于4D都是允许的，甚至在用相同标距的试样测伸长率时，可以不再试样上做标识。当标距大于4D时，应在报告中注明标距长度。对大多数塑性很好的材料，标距大于4D时，测得的伸长率大一些。伸长主要发生在断裂部位附近，所以沿试样缩颈部分长度方向上不同部位的伸长量并不相同。由于这个原因，我们不推荐采用多个标距来测量试样的伸长率。 8.2.3、当试验材料的塑性不是很好时，不需要在试样上标识标距。因为标识处容易产生应力集中，而试样容易在应力集中部位发生断裂。所以标识一般打在试样的凸肩上或直接测量整个试样的长度。 8.2.4、当引伸计装在试样的凸肩部位时，测量两个过渡圆弧（该处直径或宽度是缩颈部分直径或宽度的1.05倍）间的距离，作为计算缩颈部分伸长率的约数。 8.3、清洗试样

9.2.3、像蠕变断裂试验，引伸计连接在试样的肩部，测量的伸长量应包括试样的肩部及过渡圆弧到引伸计连接点的距离。对附加应变进行修正是必要的。在同一温度进行一系列蠕变试验时，可以按照Thomas 和Carlson的方法进行修正。否则，需用测量的伸长量除以调整后的缩颈部分的长度（见8.2.4）。计算应变的方法在验收试验的协议书和报告中应清楚地说明。在报告中应有足够的试样和伸长量数据，以便于读者对试样过渡圆弧部分的应变进行修正。

注：将过渡圆弧处的应变作为单独的普遍的因素进行修正是不正确的，因为过渡圆弧处的应变随应力的改变而改变，并且与材料的蠕变速率和测试温度有关。可以按照Thomas 和Carlson的方法对过渡圆弧处的应变进行修正。该方法对大多数金属在不同应力和不同温度下的应变进行了测试。在这些试验中，主要是通过调整缩颈部分的长度来对应变进行修正，误差小于3%。在蠕变的第一阶段，误差比较大，甚至可以达到8%。这些误差是基于缩颈部分长度与直径之比为5的基础上得到的。而长度与直径之比为10时，误差就会比较大。 9.2.4、试样为小试样时，引伸计连接在试样的夹头位置。标准试样的伸长量会减少主要是由于缩颈部分没有伸长。在两种试样上加载，载荷和时间相同，其不同之处在于：如果小试样缩颈部分包括过渡圆弧，应变等于伸长量除以缩颈部分长度。如果小试样缩颈部分不包括过渡圆弧，按9.2.3规定的方法计算应变。在小试样上可以不进行这样的试验，因为，无论引伸计是否连在试样的标识处，对相同规格的材料，载荷相同、温度相同，三次试验测得的平均值非常接近。但在报告中，

应用脚注的方式给出测量的方法。 9.3、伸长率

9.3.1、当在试样上标识出标距，那么试样有一个名义上的统一的有代表性的区域。伸长量等于试样断后标记长度减去原始标距长度。伸长率等于伸长量占原始标距长度的百分比。图1表示了伸长率的计算方法。如果标距包括过渡圆弧、肩部、螺纹，伸长率为伸长量占调整后标距长度的百分比。见图2

图1：给出标距的试样，伸长率的计算方法

图2：原始标距包括圆弧、肩部、螺纹的试样，伸长率的计算方法

9.3.2、当存在应变的手写记录（从最初轴向加载时的应变到试样断裂时的应变）时，可以通过读取伸长量的方法对应变进行修正。这适用于韧性较差的材料。因为这种方法读取的伸长量比从断裂试样上测得的伸长量小。这种方法应该在报告中注明。 9.4、断面收缩率

横截面面积的减少量等于试验前缩颈部分的最小横截面面积减去测试后的缩颈部分的最小横截面面积。断面收缩率等于横截面面积的减少量与原始横截面积的百分比。断面收缩率只适用于圆形横截面试样。 9.5、舍入

除非另有规定，应按照ASTM E29进行舍入。伸长率和断面收缩率应四舍五入到0.5%或更小。 9.6、典型蠕变曲线

9.6.1、蠕变曲线或应变与时间之间的关系曲线如图3所示。如果曲线有一段斜率逐渐减小，其后有一段斜率逐渐增大。在斜率最小的地方划一条切线。与切线斜率一致的蠕变曲线是蠕变的第二阶段。从图3可以得到以下结果。 9.6.1.1、最小蠕变速率

9.6.1.2、初始加载后所产生的瞬时变形 9.6.1.3、蠕变第二阶段开始的时间 9.6.1.4、蠕变第二阶段结束的时间

图3：典型蠕变曲线图

9.6.2、短时蠕变断裂试验中，9.6.1.3的值和9.6.1.4的值没有明显的差别。在这样的试验中，由不同时间下的蠕变速率和9.6.1.2计算值构成的表格与蠕变曲线相比，可以提供更精确的计算结果。因此可以替代蠕变曲线。 9.7、蠕变数据处理

9.7.1、根据客户的要求，利用系统得到的数据，可以用下面的方法进行处理。

9.7.1.1、报告使用原始蠕变数据

9.7.1.2、根据贝塞尔曲线拟合法或多项式曲线拟合法拟合出报告所需要的数据。

注：为得到报告所需要的数据，有可能需要在按照8.6.2规定记录数据的基础上，再插入一些记录点。

9.7.2、无论处理后的蠕变试验结果是否与技术要求相一致。客户和供

应商都应对处理数据的方法（使用原始数据、插值还是曲线拟合）达成一致。曲线拟合的方法不能用来修正蠕变应变传感器产生的误差。众所周知，自动化系统自动生产的蠕变曲线比按照8.6.2节规定手工记录的数据绘出的蠕变曲线误差要明显，这是因为8.6.2规定了原始数据的记录速度。

9.7.3、当运用数学拟合的方法绘制没有干扰的典型的蠕变曲线时，供应商应保证拟合曲线的数据真实有效。明显的不连续的曲线变化可能是试验重做的一个原因，但决定重做之前，应考虑一下这种明显的不连续的变化是不是由材料性能特征和系统误差造成的。 10、试验条件确定和试验数据处理指南

10.1、试验温度、应力以及最长试验时间的确定相当严格。为了确定材料的蠕变和持久性能，需要进行大量的试验。重点对辅助手段进行强调也是为了使试验结果与断裂时间和最小蠕变速率更接近。 10.2、加载后的试验时间为1000小时左右时，需要在每个温度点进行大量的试验以确定变形0.1%、0.2%、0.5%、1%以及人们感兴趣的变形高达5%的时间、试样断裂的时间以及应力—断裂时间曲线。应力—断裂时间曲线包括测试强度的短时点到人们所感兴趣的最长时间点。为保证曲线的可靠性，应该有足够多的试验点。由断裂试验确定的蠕变曲线，应补充一些低应力点，以得到总变形比较小的蠕变曲线。在双对数坐标上作出的小变形的应力—断裂时间曲线包括一段相当长的直线部分。尽管如此，没有另外的数据，从蠕变曲线的1000h点外推到更长的时间点，就没有确定的依据。此外给出应力—断裂时

间数据点的伸长百分率非常有必要。

10.3、蠕变试验被广泛用于外推在给定时间内产生规定蠕变应变的最大应力。在不同应力下进行蠕变试验，可以得到0.0001%/h到0.00001%/h（0.1-0.01%/1000h）之间的最小蠕变速率。每个蠕变试验温度一般需要测三个以上的应力水平点，通过应力-蠕变速率曲线，可以推出蠕变速率为0.0001%/h及0.00001%/h的蠕变强度。通过仔细的考虑和判断，可以确定出真实的最小蠕变速率。

10.3.1、几个温度的应力-蠕变速率曲线（采用双对数坐标作图）形成一组近似平行的直线。在几个温度下进行蠕变试验时，有些温度下的应力点可以不需要进行测量。假设蠕变速率为0.00001%/h（0.01%/h）的应力即为100000h蠕变1%。换言之，就是假设材料都是以最小蠕变速率进行蠕变。这种假设应该通过估计总蠕变量进行核对。有时典型蠕变曲线的一些特征会导致我们对最小蠕变速率做出错误的判断。通过将蠕变试验时间延长到几千小时，可以避免这一点。有些用户认为蠕变强度应该通过10000小时或更长时间的蠕变试验进行验证。 10.4、在双对数坐标系统下，同一温度下的应力-断裂时间曲线近似一条直线。为了确定这条应力-断裂时间曲线，需要在每个断裂时间为10n的循环周期内测一到两个应力点。每个温度下应力-断裂时间曲线应包括四个或四个以上应力水平点。这些试验点包括的时间对数范围至少应为外推范围的3倍，外推应限于以10为底的一个对数周期。（外推时间可以大于最长试验时间的3倍，但不能超过10倍。） 10.5、几个不同温度下的应力-断裂时间曲线（采用双对数坐标作图）

近似平行。应力-断裂时间曲线在较高温度下最长时间点的变化与较低温度更长时间点的变化相似。如果曲线的斜率在较高温度试验时没有变化，可以外推在较低温度试验时的断裂时间。

10.6、当蠕变断裂性能被定义为温度的函数时，应进行足够多的温度点测试，试验温度应覆盖材料的使用温度。通常至少需要测三个温度点。

10.7、目前还没有公认的对超过试验温度和时间的蠕变断裂数据进行外推的方法。参数法是一种值得考虑的方法。使用这种方法已经获得了很多的经验。利用外推数据进行寿命预测时，参数法是一种非常有用的方法。

10.8、L-M参数法是利用应力和断裂时间的相互关联，通过一系列温度试验，建立起应力和参数的关系。参数P（σ）=（T+460）（log10t+20），T为试验温度，t为断裂时间。对大多数材料，L-M参数都是合适的。利用四个或四个以上短时试验数据可以估计材料在更宽范围内的断裂性能。在较高温度进行试验，可以外推较低温度的断裂时间。 10.9、由Haferd和Manson建立的应力和参数的关系式为：P（σ）=（T-Ta）/（logt-logta），其中T为测试温度，t为断裂时间，Ta和ta是常数，相当于在不同应力下的断裂数据点以T和logt为坐标绘制的直线延伸后与坐标轴的交点所对应的横坐标和纵坐标。推荐的断裂时间为30-300h。由M-H参数法确定的综合参数曲线比L-M参数法所需要的测试点要多。换言之，就是M-H参数法的两个常数比L-M参数法的一个常数外推出的长时数据更准确。

10.10、当蠕变试验的目的是在给定时间内产生规定的变形时，可以由高温短时蠕变试验数据用参数法外推出试验所需要的应力。产生规定变形的时间可以由10.8和10.9中的断裂时间替代。

10.11、众所周知，蠕变速率、给定的总变形、断裂时间对试验材料和试验条件非常敏感。对材料进行评价时，应注意材料的这些性能。性能的测量应使用稳定可靠的数据，试验结果应具有再现性。 11、报告和试验记录

11.1、对任何试验而言，完整的书面报告是必须的。长时数据是非常宝贵的，且不容易通过试验获得。一些试验结果是有许多人经过好几年的试验获得的。试验过程中，设备和常用的试验步骤会发生变化。为补偿这些变化，一份详细的报告是必须的。 11.2、报告应尽可能多的包含我们能得到的一切信息。 11.3、应力断裂试验报告应包含下面这些信息： 11.3.1、合金类型

11.3.2、试样描述（包括制造工艺） 11.3.3、产品质保书 11.3.4、热处理制度 11.3.5、试验温度 11.3.6、试验应力 11.3.7、试样尺寸

11.3.7.1、对于圆试样，给出试样的直径 11.3.7.2、对于矩形试样，给出试样的宽度和厚度

11.3.7.3、标距长度（四倍直径或五倍直径）

11.3.7.4、调整后的标距长度（假如对标距进行了调整）

11.3.7.5、试样标识部位之间的距离（假如在试样的凸肩位置做了标识）

11.3.7.6、缩颈部分长度 11.3.8、试验持续时间

11.3.9、最大伸长量，并注明使用下面那种方法测量的 11.3.9.1、根据试样标距长度测量出的伸长率 11.3.9.2、根据试样调整后的标距长度测量出的伸长率 11.3.9.3、根据试样凸肩标识部位长度测量出的伸长率

11.3.10、圆试样的断面收缩率，并记录下表面腐蚀对断面收缩率的影响。

11.3.11、试样的断裂位置，特别要注意断标外和断在试样中心的情况。 11.4、应力断裂现象应该按照下列方式进行特征化

11.4.1、在1，10，100，1000，10000，100000h断裂的应力 11.5、蠕变断裂试验报告应包含下面这些信息： 11.5.1、合金类型

11.5.2、试样描述（包括制造工艺） 11.5.3、产品质保书 11.5.4、热处理制度 11.5.5、试验温度 11.5.6、试验应力

11.5.7、试样尺寸

11.5.7.1、对于圆试样，给出试样的直径 11.5.7.2、对于矩形试样，给出试样的宽度和厚度 11.5.7.3、标距长度（四倍直径或五倍直径）

11.5.7.4、调整后的标距长度（假如对标距进行了调整）

11.5.7.5、试样标识部位之间的距离（假如在试样的凸肩位置做了标识）

11.5.7.6、缩颈部分长度

11.5.8、引伸计的连接部位：试样缩颈部分或试样的凸肩位置 11.5.9、加载后的数据：加载过程中变形的增加，弹性模数，试验中出现的不正常现象，可以观察到的引伸计伸长量。 11.5.10、加载后的总变形

11.5.11、试样断裂前，卸载后的弹性收缩 11.5.12、最长试验时间 11.5.13、试验室的平均温度 11.5.14、试验室的湿度

11.5.15、超过温差限制的温度漂移，包括最高温度和最低温度 11.6、蠕变试验结果有好几种表示方式，采用那种表示方式取决于蠕变试验的目的

11.6.1、应变：常用总应变-时间或蠕变应变-时间对数坐标曲线表示下面指标，如果存在应变记录表，则不需要坐标图。 11.6.2、总变形为0.1，0.2，0.5，2.0，5.0%时的时间

11.6.3、如果试验进行到第三蠕变阶段：（1）最小蠕变速率（%/h）；（2）在最小蠕变速率处做一条切线，切线与应变轴的交点处的应变值。（3）蠕变第二阶段开始的时间（4）蠕变第二阶段结束的时间 11.6.4、最长试验时间不超过100h的蠕变试验0.1h的总的弹性变形和试验最长时间大于100h的蠕变试验1h的总的弹性变形。 11.6.5、如果引伸计不是连接在试样的缩颈部分，需要对过渡圆弧处应变进行修正，并注明修正的方法。

11.7、应力断裂、蠕变断裂、蠕变试验的附加信息。与上面提到的方法不同或与上面方法中的试验条件不一样，例如： 11.7.1、介质不是空气

11.7.2、加载前升温到设置温度的时间，如果可能的话，记录下升温时间和保温时间。

11.7.3、加载速度和卸载速度 11.7.4、卸载时间

11.7.5、通过等温线法外推得到的试验结果：在同一温度进行一系列试验时，报告中可以包括外推时间不超过最长试验时间10倍的数据以及不需要进行外推的短时数据。

11.7.6、最小蠕变速率为0.01，0.001，0.0001，0.00001%/h的应力 注：显而易见，我们并不一定能得到11.3-11.13.5中的所有要求，但是这些数据中那些容易得到的应该包括在报告中。

11.8、关于试验室的其它信息：报告应该包括下面的这些信息 11.8.1、试样和取样位置的记录

11.8.2、化学成分 11.8.3、合金的冶炼方式 11.8.4、加热尺寸 11.8.5、脱氧方式

11.8.6、形状和尺寸,棒材、钢板、铸件 11.8.7、材料的制造记录 11.8.8、显微组织 11.8.9、晶粒尺寸 11.8.10、硬度

11.8.11、室温和蠕变试验温度的短时强度性能，包括抗拉强度、残余伸长百分比为0.1%和0.2%的屈服强度、伸长率和断面收缩率 11.9、关于试验机的信息

11.9.1、试验机的制造、样式、试验能力 11.9.2、试验机编号 11.9.3、试验机重量和杠杆比 11.10、引伸计信息

11.10.1、引伸计编号，最近的校准书

11.10.2、引伸计的制造和精度，引伸计的装载位置（缩颈部分、过渡圆弧、肩部），引伸计标距长度（如果试样不是加载在缩颈部分）。 11.11、关于温度测量仪器的信息 11.11.1、温度测量仪器的制造和样式 11.11.2、温度控制仪器的制造和样式

11.11.3、热电偶编号、材料、热偶丝尺寸、连接技术、保护层和校验书。

11.12、关于试验记录的信息

11.12.1、加载前，记录温度的次数及温度波动的范围

11.12.2、伸长量、试验温度的记录者、记录的数据和记录数据的时间。 11.12.3、表面状态（机械加工、铸造、轧制） 11.13、其它尺寸 11.13.1、过渡圆弧的半径

11.13.2、试样凸肩的直径或宽度和厚度 11.13.3、夹具类型，是否经过机械加工或铸造 11.13.4、试样整个长度（不是推荐的试样长度） 11.13.5、基于调整后标距长度（没有推荐过的）的伸长率

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