电缆用Al-Fe系铝合金导体材料的恒应力高温压缩蠕变行为

李国兴,党 朋,张永甲,蔡西川

(上海电缆研究所有限公司,特种电缆技术国家重点实验室,上海 200093)

0 引 言

随着国民经济的稳步增长,我国的电力消费规模也逐年增大,国家因此持续加大了对电网系统的投资力度。电线电缆作为电网系统中电力传输的载体,一旦出现问题,就会导致系统部分断网,产生不可预估的损失,因此电线电缆对于电网系统的安全稳定运行有着至关重要的作用。架空导线由于长时间受到拉应力作用,会发生塑蠕伸长,使得架空线档距内长度增加,弧垂永久性增大,导致导线对地或物的距离变短,严重影响线路的安全运行[1];电缆接头处一般通过压接金具在受压状态下连接电缆导线,而导线由于电力传输过程中的电流热效应会在短期内升温至100 ℃甚至更高的温度,使得电缆接头在相关应力和温度的作用下发生压缩蠕变,产生应力松弛,影响结构稳定[2]。因此,导体材料的蠕变性能对架空导线和电缆影响巨大。影响蠕变的因素主要包括温度、载荷、时间、合金成分和显微组织等。铝合金导体材料因具有高强度、耐腐蚀、密度小、价格低等优势,近些年来被广泛应用于架空导线、电缆等领域。目前,国内外对铝合金蠕变性能的研究主要集中在两个方面[3]:一是研究蠕变机制和冶金因素对蠕变性能的影响,并通过优化组织结构和添加微量元素来提高铝合金导体材料的蠕变性能[4-6];二是通过蠕变试验数据分析蠕变规律,研究蠕变应力、应变、温度及时间对铝合金导体材料蠕变行为的影响等[7-9]。常玉琳等[10]通过添加稀土和锆元素,提高了铝合金导体在高温下的蠕变性能。张虎等[11]根据不同铝钢截面比的铝导线蠕变特性曲线,计算得到架空导线的最佳铝钢截面比和导线降温值。然而,在实际应用中,大家更加关注在架设输电线路时,由于导线自重而导致的拉伸蠕变问题[12-13],对于电缆运行过程中因受到压应力而产生的导线连接处压缩蠕变研究较少[14-15]。为此,作者对电缆用Al-Fe系铝合金导体材料进行了恒应力高温压缩蠕变试验,分析了其压缩蠕变行为,研究了蠕变应力对稳态蠕变速率的影响,建立了压缩蠕变本构方程,探讨了压缩蠕变机制,以期为导线状态评估平台建立、导线失效及寿命研究提供理论参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为直径9.5 mm的同批次电缆用Al-Fe系铝合金连铸连轧杆,其名义化学成分(质量分数/%)为0.10Si,0.45Fe,0.20Cu,0.05Mg,0.05Zn,余Al,符合GB/T 30552-2014要求。根据GB/T 4909.3-2009,采用C44.304型微机控制电子万能试验机进行拉伸试验,测定抗拉强度。选取抗拉强度分别为90.8,91.4,103.7,111.8,121.0 MPa的试验合金,制成高20 mm、直径8 mm的标准圆柱试样,根据GB/T 30552-2014,采用RDL10型高温电子蠕变机进行压缩蠕变试验,压缩应力为抗拉强度的70%,蠕变时间均为100 h,试验温度为90 ℃(试验前在90 ℃保温30 min),升温过程保持400 N的预加载荷。

2 试验结果与讨论

2.1 稳态蠕变速率

材料的蠕变过程一般包括初始蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。在初始蠕变阶段,蠕变应变随蠕变时间的延长而增加,但蠕变速率逐渐减小,这是材料的加工硬化能力提高所致;在稳态蠕变阶段,材料在加工硬化和回复软化之间达到动态平衡,虽然蠕变应变随着时间的延长而增加,但蠕变速率趋于稳定;在加速蠕变阶段,蠕变速率随着时间的延长急剧增加,直至材料断裂[15]。由图1可见:试样的蠕变曲线只有初始蠕变阶段和稳态蠕变阶段,蠕变应变随蠕变时间的延长先快速增大后缓慢增大;随压缩应力增大蠕变应变增大。对稳态蠕变阶段曲线进行线性拟合可得压缩应力分别为63.6,72.6,78.3,84.7 MPa时,试样的稳态蠕变速率(线性拟合曲线的斜率)分别为1.13×10-7,3.69×10-7,8.39×10-7,1.55×10-6h-1。由此可知,试样的稳态蠕变速率对压缩应力的变化敏感,稳态蠕变速率随着压缩应力的增加成倍增大。

图1 试样在90 ℃不同压缩应力下的蠕变曲线和稳态蠕变阶段线性拟合曲线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 蠕变本构方程

蠕变本构方程用于表示蠕变应力、蠕变温度和蠕变速率之间的关系[16-18]。在材料蠕变过程中,稳态蠕变阶段持续时间最长,是材料蠕变过程中最重要的一部分,根据稳态蠕变速率可以初步判断稳态蠕变阶段材料的抗蠕变性能。材料稳态蠕变速率和应力的关系符合诺顿方程[2],计算公式如下:

(1)

式(1)两边同时取对数可得

(2)

由于试验温度保持90 ℃不变,因此lnA-Q/(RT)为常数,令

B=lnA-Q/(RT)

(3)

则式(2)可简化为

(4)

图2 试样的稳态蠕变速率-压缩应力对数曲线Fig.2 Logarithmic curve of steady state creep rate vs compressive stress of samples

(5)

将式(5)变形得试验合金蠕变本构方程,为

(6)

2.3 蠕变机制

根据n的大小可以推测出材料的蠕变机制[19-20]:当n为1时,材料的蠕变变形主要受扩散控制;当n为2时,蠕变主要由晶界滑动导致;当n为3时,蠕变与位错滑移机制有关;当n为4～6时,蠕变主要与位错攀移有关。铝合金的蠕变现象主要是由其内部位错运动引起,其n一般为3～5[21]。然而,用诺顿方程拟合得到试验合金的n为 9.27,与已有结论不符。通过查阅文献发现,材料发生蠕变的过程中可能存在蠕变门槛应力[22-24]。蠕变门槛应力是材料中溶质原子或第二相粒子等阻碍位错运动而产生的阻碍力,当外加应力低于此值时,材料将不发生蠕变行为,这会导致无法凭所得应力指数判断蠕变机制。因此,在诺顿方程中引入门槛应力进行修正,修正后的公式如下:

(7)

式中:A1为常数;σm为蠕变门槛应力;n1为真应力指数。

同样的,exp[-Q/(RT)]可视为常数,令

C=A1exp[-Q/(RT)]

(8)

式(7)可简化为

(9)

因蠕变门槛应力σm为定值,n1不为0,式(9)可变形为

(10)

图3 试样和σ线性拟合曲线Fig.3 Linear fit curves of vs σ of sample

(11)

在同批材料中选取抗拉强度为91.4 MPa的试样进行试验验证。该试样的稳态蠕变速率试验值为1.12×10-7,根据式(11)计算得到的稳态蠕变速率为1.22×10-7,两者的相对误差为8%,证明模型准确。铝合金蠕变是扩散蠕变、晶界滑移和位错蠕变等机制的综合体现,哪种机制起主导作用常取决于其所承受的应力和温度[25]。在铝合金导体材料中添加微量元素,其固溶到基体中或形成第二相粒子,可以对铝合金产生强化作用,使得铝合金的抗蠕变能力增强,即产生固溶强化类蠕变和第二相粒子强化类蠕变。试验用铝合金导体材料的蠕变应力指数超过6,并且存在门槛应力,可判断其属于第二相粒子强化类蠕变,另外其真应力指数为5,说明铝合金导体材料的蠕变主要是由位错攀移机制主导。

3 结 论

(1) 90 ℃下电缆用Al-Fe系铝合金试样的稳态蠕变速率对压缩应力的变化敏感,稳态蠕变速率随着压缩应力的增加成倍增大。