--- title: "Ползучесть стали, разрушение под напряжением и…" description: "Узнайте, как напряжение, температура, микроструктура и правила проектирования влияют на ресурс стали при ползучести и разрушение при…" canonical: https://steelequivalents.com/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85 language: ru robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/reading-a-datasheet/steel-creep-stress-rupture-and-long-term-high-temperature-performance.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/materiálový-list/tečení-oceli-porušení-vlivem-napětí-a-dlouhodobé-chování-při-vysokých-teplotách.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/werkstoffdatenblatt-lesen/kriechen-von-stahl-spannungsbruch-und-langzeitverhalten-bei-hohen-temperaturen.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/leer-una-ficha-técnica/fluencia-del-acero-rotura-por-tensión-y-comportamiento-a-largo-plazo-a-altas-temperaturas.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/lire-une-fiche-technique/fluage-de-l-acier-rupture-sous-contrainte-et-tenue-à-long-terme-à-haute-température.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/anyagadatlap/az-acél-kúszása-feszültség-alatti-törése-és-hosszú-távú-magas-hőmérsékleten-nyújtott-teljesítménye.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/leggere-una-scheda-tecnica/scorrimento-viscoso-dell-acciaio-rottura-per-tensione-e-prestazioni-a-lungo-termine-alle-alte-temperature.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/materiaaldatablad/kruip-van-staal-spanningsbreuk-en-prestaties-bij-hoge-temperaturen-op-lange-termijn.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/karta-materiałowa/pełzanie-stali-pękanie-pod-wpływem-naprężeń-oraz-długotrwała-eksploatacja-w-wysokiej-temperaturze.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/ler-uma-ficha-técnica/fluência-do-aço-rotura-por-tensão-e-desempenho-a-longo-prazo-a-altas-temperaturas.md ru: https://steelequivalents.com/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/teknik-veri-sayfası/çelikte-sünme-gerilme-kopması-ve-uzun-süreli-yüksek-sıcaklık-performansı.md zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/如何读懂材料数据表/钢材蠕变-应力断裂与长期高温性能.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/鋼材データシートの読み方/鋼材のクリープ-応力破断-および長期的な高温性能.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/قراءة-ورقة-البيانات/زحف-الفولاذ-والانهيار-الناتج-عن-الإجهاد-والأداء-طويل-الأمد-في-درجات-الحرارة-المرتفعة.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/강재-물성표-읽는-법/강철의-크리프-응력-파단-및-장기간-고온-성능.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/ler-uma-ficha-técnica/fluência-do-aço-ruptura-sob-tensão-e-desempenho-em-altas-temperaturas-a-longo-prazo.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/डेटाशीट-कैसे-पढ़ें/इस्पात-का-क्रीप-तनाव-भंग-और-दीर्घकालिक-उच्च-तापमान-प्रदर्शन.md content_hash: sha256:230baa68ac4f75737aa01545d9c28fa28298582faead7dacf5c062d4e8dd6b27 generated: 2026-09-26 --- > **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page, > served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML. > Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85 > Canonical URL: https://steelequivalents.com/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85 > Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi > Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything > below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. Compare it to detect a real > content change; `generated` moves on every render and is not a change signal. ![Ползучесть стали, разрушение под напряжением и долговременная эксплуатация при высоких температурах](/images/uploads/3a5cfec1-7fb1-4405-8bcb-8822e56ce23d/wiki-hero-a-high-temperature-steel-steam-pipe-and-welded-pressure-header-operating-inside-1920x823.jpg) Как читать характеристики стали # Ползучесть стали, разрушение под напряжением и долговременная эксплуатация при высоких температурах Узнайте, как напряжение, температура, микроструктура и правила проектирования влияют на ресурс стали при ползучести и разрушение при длительной нагрузке. ![Портрет Anders Bergström, репортёра чёрной металлургии](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg) **[Anders Bergström](/ru/новости/автор/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Как читать характеристики стали 60+ мин чтения Обновлено 15 авг. 2026 г. Проверено на основе доказательств На этой страницеНа этой странице - [Что означают ползучесть стали и разрушение от напряжения](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#что-означают-ползучесть-стали-и-разрушение-от-напряжения "Что означают ползучесть стали и разрушение от напряжения") - [Три стадии деформации при ползучести](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#три-стадии-деформации-при-ползучести "Три стадии деформации при ползучести") - [Металлургические механизмы, лежащие в основе деформации при высоких температурах](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#металлургические-механизмы-лежащие-в-основе-деформации-при-высоких-температурах "Металлургические механизмы, лежащие в основе деформации при высоких температурах") - [Как изменяется микроструктура стали при длительной выдержке](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#как-изменяется-микроструктура-стали-при-длительной-выдержке "Как изменяется микроструктура стали при длительной выдержке") - [Семейства Сталей, Используемых Для Эксплуатации В Условиях Ползучести](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#семейства-сталей-используемых-для-эксплуатации-в-условиях-ползучести "Семейства Сталей, Используемых Для Эксплуатации В Условиях Ползучести") - [Grade 91 и P91: как правильно интерпретировать доказательные данные](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#grade-91-и-p91-как-правильно-интерпретировать-доказательные-данные "Grade 91 и P91: как правильно интерпретировать доказательные данные") - [Испытания на ползучесть в соответствии с ASTM E139](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#испытания-на-ползучесть-в-соответствии-с-astm-e139 "Испытания на ползучесть в соответствии с ASTM E139") - [От кривых ползучести к расчетному напряжению](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#от-кривых-ползучести-к-расчетному-напряжению "От кривых ползучести к расчетному напряжению") - [Экстраполяция долгосрочных данных и параметрические методы](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#экстраполяция-долгосрочных-данных-и-параметрические-методы "Экстраполяция долгосрочных данных и параметрические методы") - [Механика повреждений и современные методы прогнозирования разрушения](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#механика-повреждений-и-современные-методы-прогнозирования-разрушения "Механика повреждений и современные методы прогнозирования разрушения") - [Взаимодействие ползучести и усталости и термическое циклирование](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#взаимодействие-ползучести-и-усталости-и-термическое-циклирование "Взаимодействие ползучести и усталости и термическое циклирование") - [Механизмы разрушения и исследование отказов](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#механизмы-разрушения-и-исследование-отказов "Механизмы разрушения и исследование отказов") - [Воздействие окружающей среды при высокой температуре](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#воздействие-окружающей-среды-при-высокой-температуре "Воздействие окружающей среды при высокой температуре") - [Кодексы, нормативные требования и значение допустимого напряжения](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#кодексы-нормативные-требования-и-значение-допустимого-напряжения "Кодексы, нормативные требования и значение допустимого напряжения") - [Оценка остаточного ресурса состаренных стальных компонентов](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#оценка-остаточного-ресурса-состаренных-стальных-компонентов "Оценка остаточного ресурса состаренных стальных компонентов") - [Как сравнивать данные по ползучести, не допуская ошибочных выводов](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#как-сравнивать-данные-по-ползучести-не-допуская-ошибочных-выводов "Как сравнивать данные по ползучести, не допуская ошибочных выводов") - [Распространённые ошибки при выборе и анализе сталей для высоких температур](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#распространённые-ошибки-при-выборе-и-анализе-сталей-для-высоких-температур "Распространённые ошибки при выборе и анализе сталей для высоких температур") - [Справочная база для исследований ползучести стали и разрушения при длительном воздействии напряжения](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#справочная-база-для-исследований-ползучести-стали-и-разрушения-при-длительном-воздействии-напряжения "Справочная база для исследований ползучести стали и разрушения при длительном воздействии напряжения") ## Что означают ползучесть стали и разрушение от напряжения ### Ползучесть как деформация, зависящая от времени Ползучесть стали представляет собой необратимую деформацию, зависящую от времени, под действием приложенной нагрузки при повышенной температуре. Определяющим признаком является не просто высокая температура стали или значительное напряжение, а продолжающееся накопление деформации во времени при сохранении достаточно высоких нагрузки и температуры. Поэтому компонент может изменять длину, диаметр, толщину стенки или соосность даже в том случае, если приложенное напряжение остается ниже кратковременного предела текучести, измеренного в обычном испытании на растяжение. Это различие имеет большое значение, поскольку предел текучести обычно определяют в течение нескольких минут, тогда как срок службы в условиях ползучести может составлять 10 000 или 100 000 часов. Сталь, которая при кратковременном испытании на растяжение практически не претерпевает необратимой деформации, все же может после нескольких лет эксплуатации под нагрузкой демонстрировать измеримое удлинение, местное утонение или искажение формы. При высокой температуре движение дислокаций, диффузия, проскальзывание по границам зерен, а также рост или растворение выделений обеспечивают механизмы деформации, слишком медленные для проявления в обычном испытании при комнатной температуре. #### Основные термины, связанные с ползучестью Первичная ползучесть Деформация начинается с уменьшающейся скоростью деформации по мере упрочнения материала. Вторичная ползучесть Деформация протекает примерно с установившейся или минимальной скоростью ползучести. Третичная ползучесть Скорость деформации увеличивается по мере того, как порообразование, растрескивание, уменьшение сечения или металлургическая деградация уменьшают площадь, воспринимающую нагрузку. #### Как развивается кривая ползучести 1. **Первичная ползучесть** Скорость деформации уменьшается по мере развития деформационного упрочнения. 2. **Вторичная ползучесть** Упрочнение и возврат приближаются к равновесию, и наблюдается минимальная скорость ползучести. 3. **Третичная ползучесть** Повреждение, локализация деформации и уменьшение сечения ускоряют деформацию вплоть до разрушения. Типичная кривая ползучести имеет три стадии. Первичная ползучесть начинается с уменьшающейся скоростью деформации по мере упрочнения материала. За ней следует вторичная ползучесть с приблизительно постоянной, или минимальной, скоростью ползучести. На третичной стадии ползучесть ускоряется, поскольку образование пор, растрескивание, уменьшение площади поперечного сечения, металлургическая деградация или другие повреждения сокращают площадь, воспринимающую нагрузку. Форма кривой не является универсальной: она зависит от напряжения, температуры, структуры зерен, термической обработки, окружающей среды и предшествующего воздействия. \[1\] \[1\] **ASTM E139-11(2018), Standard Test Methods for Conducting Creep, Creep-Rupture, and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials**. ASTM International. ASTM International standard, 2018. ASTM E139-11(2018) Стандарт ASTM E139-11(2018), опубликованный ASTM International, является основным справочным документом по методам испытаний металлических материалов. Он охватывает измерение деформации как функции времени при испытаниях на ползучесть, а также измерение времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность и разрушение от напряжения в условиях постоянной растягивающей силы и постоянной температуры. Испытание на ползучесть может быть остановлено до разрушения, чтобы оценить деформацию и скорость ползучести. К полезным результатам относятся полная деформация, деформация ползучести, скорость деформации и минимальная скорость ползучести. NIMS приводит данные о прочности при ползучести и разрушении марки 91 для нескольких форм изделий, температур, напряжений и интервалов срока до разрушения. Strong evidence Металлургические процессы могут изменяться непосредственно в ходе испытания. В ферритных жаропрочных сталях карбидные реакции, отпуск, возврат, укрупнение упрочняющих частиц и утрата мартенситной структуры способны изменять скорость ползучести. Марка Grade 91, обычно связанная со сталью 9Cr-1Mo-V-Nb, показывает, почему одного названия марки недостаточно для определения долговременного поведения материала. Набор данных NIMS Creep Data Sheet за 2024 год охватывает трубы, листы и трубные заготовки из Grade 91 при температурах от 450 до 725 °C и напряжениях от 30 до 450 MPa; в нем приведены значения длительной прочности при разрушении через 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Эти временные интервалы показывают масштаб проблемы: соответствующее свойство изменяется в зависимости от требуемого срока службы. Ползучесть также взаимодействует с циклическим нагружением. В публикации K. Natesan для IAEA, посвященной ферритной стали Grade 91, циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменения микроструктуры указаны как факторы, учитываемые при проектировании с учетом взаимодействия ползучести и усталости. Модель, разработанная авторами исследования 2022 года, посвященного уравнению Wilshire и механике континуума повреждений, предназначалась для прогнозирования деформации P91 при ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждаемости и ресурса до разрушения от напряжения. Перед публикацией имена авторов следует проверить по связанному библиографическому описанию; их нельзя выводить только из описания модели. ### Разрушение от напряжения как время до разрушения Разрушение от напряжения характеризует время, необходимое образцу или компоненту для разрушения под действием постоянного напряжения при заданной температуре. Результатом является измерение ресурса до разрушения, а не просто обычная характеристика прочности при растяжении. В отчете об испытании на разрушение от напряжения следует указывать приложенное напряжение, температуру, время до разрушения, ориентацию и геометрию образца, если это имеет значение, а также часто измеренные удлинение и относительное сужение. Испытания на ползучесть и длительную прочность отвечают на взаимосвязанные, но разные инженерные вопросы. | Аспект | Испытания на ползучесть | Испытания на длительную прочность | |---|---|---| | Основное наблюдение | Деформация как функция времени | Время до разрушения | | Результат для образца | Может быть остановлено до разрушения | Обычно заканчивается разрушением | | Полезные результаты | Полная деформация, деформация ползучести, скорость деформации, минимальная скорость ползучести | Время до разрушения, удлинение, относительное сужение, место разрушения | Термины *разрушение при ползучести* и *разрушение от напряжения* частично перекрываются, однако они акцентируют внимание на разных наблюдаемых характеристиках. При испытании на ползучесть основное внимание уделяется зависимости деформации от времени независимо от того, разрушается образец или нет. При испытании на разрушение от напряжения основное внимание уделяется продолжительности до разрушения, хотя перед разрушением образец обычно подвергается ползучести. Стандарт ASTM E139 рассматривает эти взаимосвязанные процедуры в рамках единой системы. Результатом является также тип разрушения. Образец может разрушиться вследствие вязкого перегружения после значительного образования шейки, вследствие межкристаллитного растрескивания, связанного с образованием пор по границам зерен, либо по более хрупкому механизму, которому способствуют воздействие окружающей среды или нестабильная микроструктура. Поэтому два испытания с одинаковым временем до разрушения могут указывать на разные эксплуатационные риски: в одном случае до разрушения возникает значительная предварительная деформация, а в другом перед растрескиванием имеется относительно мало предупреждающих признаков. NIST рассматривает данные о длительной прочности при разрушении как один из основных классов информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенной температуре. NIMS систематически собирает данные по углеродистым, низколегированным, высокохромистым и аустенитным жаропрочным сталям. Такие данные позволяют выполнять экстраполяцию, однако экстраполяция не заменяет проверки фактического состояния стали, истории сварки, напряженного состояния и истории воздействия. ### Почему температуру и постоянное напряжение необходимо указывать вместе #### Не приводите высокотемпературную прочность без указания временной основы Всегда указывайте температуру, длительно действующее напряжение, продолжительность, допустимую деформацию или предельный уровень повреждения и основу испытания. Одно значение прочности при комнатной температуре или кратковременной прочности не может определить эксплуатационные характеристики в течение длительного срока. Понятие «высокотемпературная прочность» является неполным, если не указаны одновременно температура и напряжение, а также временная основа оценки. Повышение температуры или постоянного напряжения обычно увеличивает скорость ползучести и сокращает ресурс до разрушения, однако влияние этих факторов сильно зависит от марки стали и не описывается одним значением прочности при комнатной температуре. Утверждение вроде «Grade 91 сохраняет прочность 500 MPa при высокой температуре» не имеет инженерного смысла без указания температуры, продолжительности воздействия, допустимой деформации или предельного уровня повреждений, а также основы испытания. ASTM E139 предполагает постоянную растягивающую силу и постоянную температуру. Реальные компоненты редко работают в условиях столь простой истории нагружения. Сосуды, работающие под давлением, паропроводы, коллекторы, детали турбин и компоненты реакторов могут неоднократно нагреваться и охлаждаться, испытывать переходные режимы при пусках и остановах, подвергаться изменяющемуся давлению либо иметь температурные градиенты и напряжения от стеснения деформаций. Такие режимы приводят к взаимодействию ползучести и усталости, термическим напряжениям, релаксации, ратчетингу и изменению микроструктуры. Кривая разрушения при постоянной температуре сама по себе не может описать эти эффекты. \[2\] \[2\] **NUREG/CR-6150: Creep-Rupture Damage Modeling**. U.S. Nuclear Regulatory Commission. U.S. Nuclear Regulatory Commission report, 1994. NUREG/CR-6150 Нормы проектирования преобразуют данные испытаний в допустимые напряжения, доли ресурса, предельные деформации или оценки повреждаемости. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчетные свойства материалов, а ASME BPVC Section III, Division 5 устанавливает правила конструирования высокотемпературных компонентов реакторов. Директива Европейского союза 2014/68/EU требует учитывать свойства материалов, связанные с ползучестью, и установленные предельные значения для оборудования, работающего под давлением, если ползучесть имеет существенное значение. Документ NUREG/CR-6150, выпущенный U.S. Nuclear Regulatory Commission в 1994 году, описывает моделирование повреждений от длительной прочности при разрушении с использованием параметров Larson-Miller и Manson-Haferd для таких материалов, как углеродистая и нержавеющая сталь. Эти параметры являются методами систематизации данных, а не константами материала, устраняющими неопределенность. Долговременные характеристики по-прежнему зависят от температурной истории, постоянных и циклических напряжений, скорости деформации, механизма разрушения, воздействия окружающей среды и стабильности микроструктуры. Поэтому деформацию ползучести и ресурс до разрушения от напряжения необходимо указывать раздельно, а затем совместно интерпретировать применительно к фактическим условиям эксплуатации. ## Три стадии деформации при ползучести Качественная тенденция изменения скорости деформации Обычная последовательность стадий ползучести начинается с уменьшения скорости деформации, переходит к минимальной скорости, а затем — к ускоряющейся деформации. Значения являются схематическими индексами стадий, а не измеренными данными материала. Испытание на ползучесть регистрирует деформацию в зависимости от прошедшего времени, пока образец находится под постоянной нагрузкой и при повышенной температуре. Типичный результат — график «деформация–время» с восходящей кривизной: сначала деформация быстро возрастает, затем скорость становится почти постоянной, а перед разрушением деформация ускоряется. Это трёхстадийное описание полезно, однако оно не является правилом, которому обязаны следовать все сплавы, варианты термической обработки, образцы или режимы нагружения. Некоторые испытания заканчиваются на стадии первичной ползучести; в других наблюдается лишь короткий участок вторичной ползучести либо сразу начинается ускоренное повреждение. Международная организация ASTM в стандарте ASTM E139-11(2018) устанавливает методы измерения деформации как функции времени при испытаниях на ползучесть, а также времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность и длительную прочность при разрыве металлических материалов в условиях постоянных растягивающей силы и температуры. Поэтому кривая ползучести характеризует не только «прочность при высокой температуре». Она показывает, как материал воспринимает нагрузку, изменяется на внутреннем уровне и приближается к разрушению. ![Diagram of primary, secondary, and tertiary creep in a steel specimen](/images/uploads/26851fae-6931-4cce-8d80-d34ff7533948/wiki-inline-a-labelled-editorial-diagram-showing-the-three-stages-of-creep-deformation-in-a-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/26851fae-6931-4cce-8d80-d34ff7533948/wiki-inline-a-labelled-editorial-diagram-showing-the-three-stages-of-creep-deformation-in-a-1920x1094.avif "Увеличить изображение — Diagram of primary, secondary, and tertiary creep in a steel specimen") ### Первичная ползучесть и снижающаяся скорость деформации Первичная ползучесть начинается, когда приложенные напряжение и температура вызывают зависящую от времени пластическую деформацию. Скорость деформации первоначально относительно высока, а затем снижается. Такое снижение обычно отражает упрочнение при деформации: дислокации размножаются и взаимодействуют, из-за чего дальнейшая деформация затрудняется. Одновременно процессы возврата, такие как перестройка и аннигиляция дислокаций, начинают противодействовать упрочнению. Измеряемая кривая является результатом действия этих конкурирующих механизмов. На начальную скорость также может влиять методика нагружения. Образец, быстро доведённый до испытательной температуры и заданной силы, может демонстрировать иную начальную реакцию по сравнению с образцом, нагреваемым под нагрузкой, поскольку тепловое расширение, переходное перераспределение напряжений и восстановление микроструктуры изменяют исходное состояние. В сталях, упрочнённых выделениями, частицы сначала могут препятствовать движению дислокаций, а затем укрупняться или растворяться в процессе выдержки. В ферритных жаропрочных сталях устойчивость отпущенного мартенсита, карбидных фаз и более мелких выделений определяет, насколько быстро первичная ползучесть переходит в более стационарный режим. Первичная ползучесть — это не просто короткое вступление к «настоящему» испытанию. Накопленная деформация может иметь значение для детали с жёсткими требованиями к размерным допускам, а начальная скорость способна показать, подвергался ли материал термическому старению или неправильной термической обработке. Сталь марки Grade 91, представляющая собой сталь 9Cr-1Mo-V-Nb, иллюстрирует этот тезис: её поведение при ползучести зависит от устойчивости отпущенной мартенситной структуры и выделений, а не только от номинального содержания хрома и молибдена. Циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменения микроструктуры относятся к факторам, выделенным K. Natesan из IAEA в обсуждениях проектирования с учётом ползучести и усталости для ферритной стали Grade 91. Форма кривой может отклоняться от учебного варианта, если напряжение мало, температура изменяется или материал подвергается интенсивному структурному восстановлению. Снижающаяся скорость деформации является обычным, но не универсальным явлением. ### Вторичная ползучесть и минимальная скорость ползучести Вторичная ползучесть — это участок, на котором скорость деформации остаётся приблизительно постоянной в течение значительного интервала времени. На практике скорость часто достигает минимума, а не сохраняется идеально постоянной. Минимальная скорость ползучести является одним из наиболее полезных показателей для сравнения сплавов и условий испытания, поскольку даёт определённую количественную характеристику деформации в период, когда упрочнение и восстановление находятся в состоянии более близкого равновесия. Такое сравнение имеет смысл только при контролируемых параметрах испытания. Измеренное значение могут изменять температура, приложенное напряжение, ориентация образца, предшествующая термическая обработка, размер зерна, длина рабочей части и атмосфера. Небольшое изменение температуры может вызвать значительное изменение скорости, поскольку с повышением температуры ускоряются термически активируемые диффузия и переползание дислокаций. Напряжение влияет на скорость через действующий механизм деформации; в разных диапазонах напряжений могут преобладать проскальзывание по границам зёрен, дислокационная ползучесть или процессы, обусловленные диффузией. Значение заявленного диапазона Граничные значения, приведённые для набора данных NIMS 2024 года по марке 91. База данных Creep Data Sheet, которую NIMS обновила в 2024 году, демонстрирует, почему любое приводимое значение должно сопровождаться указанием условий. Набор данных для Grade 91 охватывает температуры от 450 до 725 °C и напряжения от 30 до 450 МПа; длительная прочность при разрыве указана для продолжительности 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Эти интервалы нельзя свести к одному значению прочности, не зависящему от температуры. NIMS также систематически собирает данные для углеродистых, низколегированных, высокохромистых и аустенитных жаропрочных сталей. Минимальная скорость ползучести полезна не только для сравнения материалов, но и для подбора моделей. В исследовании 2022 года, опубликованном через Office of Scientific and Technical Information Министерства энергетики США, уравнения Wilshire были объединены с механикой повреждения сплошной среды для прогнозирования деформации при ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждения и долговечности при разрушении от напряжения в стали P91. Однако такие модели по-прежнему требуют данных для соответствующих напряжений, температур, видов металлопродукции и состояний микроструктуры. Экстраполяция далеко за пределы испытанного диапазона может скрывать изменения механизма. Здесь важна геометрия образца. Длина рабочей части влияет на усреднение локальной деформации, а диаметр и конструкция переходных участков влияют на концентрацию напряжений и теплопередачу. В детали многоосное напряжённое состояние, остаточные сварочные напряжения, надрезы и внутреннее давление могут привести к иной локальной скорости ползучести по сравнению со скоростью, измеренной на гладком одноосном образце. ### Третичная ползучесть, накопление повреждений и разрушение Третичная ползучесть начинается, когда скорость деформации возрастает. Ускорение свидетельствует о том, что образец теряет эффективную площадь, воспринимающую нагрузку, либо что его внутреннее сопротивление деформации снижается. Шейкообразование, образование полостей по границам зёрен, укрупнение карбидов, растворение выделений, окисление, растрескивание и локализованная деформация могут действовать по отдельности или совместно. По мере уменьшения эффективного сечения локальное напряжение возрастает, даже если внешне приложенная сила остаётся постоянной. Затем кривая резко отклоняется вверх и завершается разрушением. Таким образом, эта стадия является признаком повреждения, а не просто более быстрой разновидностью вторичной ползучести. Деталь может стать небезопасной ещё до появления видимой трещины, особенно если по границам зёрен образуются полости или ослабляется зона термического влияния сварного шва. Вид разрушения зависит от напряжённого состояния, температуры, структуры зёрен, окружающей среды и продолжительности воздействия. Гладкие растягиваемые образцы часто разрушаются вследствие локализованного шейкообразования или образования межзёренных полостей; в надрезанных или стеснённых областях может возникать высокая трёхосность напряжённого состояния и значительно более ранний рост трещин. При испытаниях на длительную прочность при разрыве основное внимание уделяется времени до разрушения, тогда как испытание на ползучесть подчёркивает зависимость деформации от времени. Эти измерения связаны между собой, но отвечают на разные инженерные вопросы. NIST относит данные о длительной прочности при разрыве к основным видам информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенной температуре. В документе NUREG/CR-6150 (1994) Комиссии по ядерному регулированию США описано моделирование повреждений с использованием параметров Larson–Miller и Manson–Haferd для таких материалов, как углеродистая и нержавеющая сталь, однако параметризованные кривые по-прежнему зависят от данных и лежащих в их основе механизмов разрушения. Проектные нормы должны учитывать эту зависимость. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчётные свойства материалов, тогда как ASME Section III, Division 5 устанавливает правила конструирования высокотемпературных компонентов реакторов. Директива 2014/68/EU требует учитывать свойства материалов, связанные с ползучестью, и установленные предельные значения в тех случаях, когда ползучесть имеет существенное значение при проектировании оборудования, работающего под давлением. Эти нормы не рассматривают время до разрушения как исчерпывающее описание эксплуатационных характеристик. Они также ограничивают допустимые напряжения, деформацию, повреждение и срок службы при заданных температурных режимах и историях нагружения. Окончание третичной ползучести не всегда представляет собой одно чётко определённое событие. Термические циклы могут накладываться на усталостное трещинообразование; окисление может уменьшать сечение с внешней стороны; а металлургическое старение способно изменить преобладающий механизм в процессе эксплуатации. Поэтому надёжная оценка должна учитывать всю кривую, определять минимальную скорость ползучести, анализировать путь накопления повреждений и проверять, соответствует ли образец геометрии детали, её напряжённому состоянию, окружающей среде и микроструктуре. ## Металлургические механизмы, лежащие в основе деформации при высоких температурах Ползучесть — это зависящая от времени деформация под действием длительно приложенных напряжения и температуры. Хорошо известная кривая деформация–время имеет три стадии, однако эти стадии не являются разными законами природы. Они представляют собой видимый результат изменения микроскопических процессов. На первичной стадии ползучести обычно наблюдается снижение скорости деформации по мере перестройки дислокаций и упрочнения материала. На вторичной стадии скорость приблизительно постоянна, поскольку упрочнение и возврат уравновешивают друг друга. На третичной стадии ползучесть ускоряется по мере того, как образование шейки, пористость, кавитация по границам зерен, растрескивание и уменьшение площади сечения сокращают площадь, воспринимающую нагрузку. Испытание на длительную прочность при растяжении ставит другой вопрос: как долго образец сохраняет работоспособность до разрушения? Стандарт ASTM E139-11(2018) устанавливает методы измерения деформации во времени при испытаниях на ползучесть, а также времени до разрушения при испытаниях на ползучесть с разрушением и на длительную прочность при постоянных растягивающих усилии и температуре для металлических материалов. Поэтому время до разрушения не может служить заменой кривой ползучести. Две плавки могут разрушиться примерно через одинаковое время, накопив при этом разную деформацию, либо один образец может разрушиться после относительно небольшой общей деформации, поскольку повреждение локализовалось по границам зерен. ![Schematic of dislocation motion and recovery around precipitates in Grade 91 steel](/images/uploads/82586e20-977c-4752-8915-9baf0418466b/wiki-inline-a-cross-sectional-schematic-of-steel-microstructure-showing-dislocation-glide-di-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/82586e20-977c-4752-8915-9baf0418466b/wiki-inline-a-cross-sectional-schematic-of-steel-microstructure-showing-dislocation-glide-di-2027x2560.avif "Увеличить изображение — Schematic of dislocation motion and recovery around precipitates in Grade 91 steel") ![Diagram of primary, secondary, and tertiary creep in a steel specimen](/images/uploads/26851fae-6931-4cce-8d80-d34ff7533948/wiki-inline-a-labelled-editorial-diagram-showing-the-three-stages-of-creep-deformation-in-a-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/26851fae-6931-4cce-8d80-d34ff7533948/wiki-inline-a-labelled-editorial-diagram-showing-the-three-stages-of-creep-deformation-in-a-1920x1094.avif "Увеличить изображение — Diagram of primary, secondary, and tertiary creep in a steel specimen") ### Движение дислокаций и возврат Переползание дислокаций **Переползание дислокаций** Диффузионно-обусловленное перемещение дислокации из исходной плоскости скольжения, позволяющее ей обходить препятствия, блокирующие обычное скольжение. При температурах ниже диапазона, в котором диффузия становится существенной, пластическая деформация главным образом определяется скольжением дислокаций. Дислокация перемещается, когда разрешённое касательное напряжение преодолевает сопротивление со стороны кристаллической решётки, атомов растворённых примесей, выделений, других дислокаций и границ субзёрен. Температура изменяет этот баланс: тепловая активация помогает дислокации преодолевать препятствия ближнего порядка, тогда как длительно действующее напряжение обеспечивает движущую силу для продолжения движения. При более высокой температуре дислокации могут не только скользить, но и совершать переползание. Переползание требует диффузии вакансий к линии дислокации или от неё, что позволяет дислокации выйти из исходной плоскости скольжения и обойти препятствие. Этот процесс играет центральную роль в степенной ползучести многих сталей. Выделение, блокирующее скольжение, может быть обойдено посредством переползания; скопление дислокаций также может релаксировать, когда вакансии позволяют дислокациям обойти препятствие переползанием. Следовательно, измеренная скорость ползучести зависит от напряжения, температуры, расстояния между препятствиями, подвижности вакансий и изменяющейся дислокационной структуры. Возврат устраняет часть упрочнения, возникшего вследствие деформации. Дислокации аннигилируют, когда встречаются линии противоположного знака, перестраиваются в конфигурации с меньшей энергией и образуют субзёрна посредством полигонизации. Эти изменения объясняют, почему на первичной стадии ползучесть может замедляться, хотя деформация продолжается: сначала материал упрочняется, затем возврат постепенно компенсирует это упрочнение. На вторичной стадии ползучести баланс между размножением дислокаций, скольжением, переползанием и возвратом приводит к почти постоянной минимальной скорости ползучести. Этот баланс не остаётся неизменным в процессе эксплуатации. Отпущенная мартенситная сталь Grade 91, также обозначаемая как P91 в соответствующих контекстах, связанных с продукцией и проектированием, приобретает сопротивление ползучести благодаря тонкой реечной структуре и выделениям, включая богатые хромом карбиды M23C6 и частицы MX, содержащие ниобий и ванадий. Термическое воздействие укрупняет или перераспределяет эти частицы, изменяет структуры реек и субзёрен и может снизить сопротивление движению дислокаций. В обзоре K. Natesan, подготовленном для IAEA и посвящённом Grade 91, циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменение микроструктуры рассматриваются как факторы проектирования при оценке ползучести–усталости. Поэтому исходная прочность образца при растяжении сама по себе мало говорит о его долгосрочной минимальной скорости ползучести после тысяч часов эксплуатации. Зависимость часто представляют соотношением типа Нортона, например \\(\\dot{\\varepsilon}=A\\sigma^n\\exp(-Q/RT)\\), согласно которому скорость ползучести возрастает с увеличением напряжения и температуры. Это соотношение применимо в пределах определённого механизма и диапазона данных, но не является универсальным описанием. Показатель степени при напряжении, энергия активации и даже определяющий механизм могут изменяться. Исследование P91 2022 года, основанное на подходе Уилшира, к механике повреждения сплошной среды иллюстрирует эту особенность: в нём описания деформации и повреждения объединены для прогнозирования деформации ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждения и долговечности при длительной прочности, вместо того чтобы рассматривать прочность при разрушении как одну постоянную величину. Основные механизмы деформации, обусловленные диффузией и границами зёрен. | Механизм | Путь или действие диффузии | Описываемые условия или эффект | |---|---|---| | Ползучесть Набарро—Херринга | Диффузия через кристаллическую решётку | Атомы перемещаются из областей сжатия к областям растяжения. | | Ползучесть Кобла | Диффузия вдоль границ зёрен | Более короткие пути диффузии по границам могут увеличивать деформацию. | | Скольжение по границам зёрен | Относительный сдвиг соседних зёрен | Требует компенсации за счёт диффузии и активности дислокаций. | ### Диффузия, границы зёрен и кавитация Деформация, обусловленная диффузией, становится всё более важной с повышением температуры. При ползучести Набарро–Херринга атомы диффундируют через кристаллическую решётку из областей, находящихся под сжатием, в области, находящиеся под растяжением. При ползучести Кобла диффузия вдоль границ зёрен обеспечивает более короткий путь. На оба механизма сильно влияет размер зерна: мелкие зёрна обеспечивают большую площадь границ и меньшие расстояния диффузии, что при соответствующих условиях может увеличивать диффузионную ползучесть. Порообразование по границам зёрен **Порообразование по границам зёрен** Зарождение, рост и соединение микроскопических пустот вдоль границ зёрен под воздействием высокотемпературного напряжения. Границы зёрен также являются местами скольжения. Соседние зёрна могут сдвигаться относительно друг друга, когда диффузия и активность дислокаций компенсируют несовместность в местах их соединения. Скольжение по границам зёрен вносит существенный вклад в деформацию ползучести, особенно при высокой гомологической температуре, низких и умеренных напряжениях и мелком размере зерна. Оно не может продолжаться бесконечно без аккомодации; в противном случае в местах встречи нескольких границ образовались бы разрывы и перекрытия. Такую аккомодацию обеспечивают переползание дислокаций и диффузия. Те же границы могут стать предпочтительными местами повреждения. Вакансии и примеси мигрируют к напряжённым межфазным границам, тогда как скольжение концентрирует деформацию в тройных стыках и у частиц. Небольшие пустоты образуются, растут и объединяются в микротрещины. Это явление называется кавитацией по границам зёрен. Третичная стадия ползучести начинается, когда такое повреждение, локальное образование шейки и рост трещин достаточно уменьшают эффективную площадь поперечного сечения, чтобы ускорить макроскопическую скорость деформации. На кавитацию влияют напряжённое состояние, прочность границ зёрен, распределение частиц, окисление и предшествующая термическая история. Одноосное лабораторное испытание не воспроизводит все условия эксплуатации: многоосное стеснение может подавлять или стимулировать рост пустот, а окислительная атмосфера способна повреждать поверхность и изменять траектории трещин. Поэтому в материалах ASM International, посвящённых разрушениям вследствие ползучести и длительной прочности, наряду с напряжением и температурой рассматриваются окружающая среда, металлургическая нестабильность, реакции карбидов, механизм разрушения и взаимодействие ползучести с усталостью. NIMS предоставляет систематически собранные данные по ползучести и разрушению для углеродистых, низколегированных, высокохромистых и аустенитных жаростойких сталей. Набор данных NIMS по Grade 91 за 2024 год охватывает трубы, листы и трубопроводы из стали 9Cr-1Mo-V-Nb при температурах от 450 до 725 °C и напряжениях от 30 до 450 MPa; в нём приведена прочность при ползучести с разрушением через 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Такие интервалы времени выявляют эволюцию микроструктуры, которую невозможно проследить в кратковременном испытании на растяжение. NIST также относит данные по длительной прочности до разрушения к основным видам информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенных температурах. ### Влияние размера зерна и кристаллографической структуры Размер зерна изменяет соотношение между внутризеренной деформацией и деформацией, контролируемой границами. Крупные зёрна имеют меньшую суммарную площадь границ, что обычно уменьшает скольжение по границам и диффузионную ползучесть. Поэтому крупнозернистые или направленно затвердевшие структуры могут хорошо работать в некоторых высокотемпературных применениях. Мелкие зёрна, однако, способны повышать предел текучести при более низких температурах за счёт упрочнения границами и способствовать формированию однородной отпущенной мартенситной структуры. Предпочтительный размер зерна зависит от рабочей температуры, напряжения, истории нагружения и критерия разрушения. Кристаллическая структура также имеет значение. Ферритные и мартенситные стали обладают объёмно-центрированной кубической структурой, тогда как аустенитные нержавеющие стали — гранецентрированной кубической структурой. Их системы скольжения, скорости диффузии, энергии дефектов упаковки, фазовая стабильность и реакции выделения различаются. Сталь, которая сопротивляется скольжению дислокаций при одной температуре, может размягчаться вследствие возврата или фазового превращения при длительном воздействии. Отливки Grade C91, соответствующие ASTM A1091/A1091M, используют отпущенные мартенситные или бейнитные структуры, стабилизированные выделившимися частицами, однако этот эффект сохраняется только при поддержании такой упрочнённой частицами структуры в процессе эксплуатации. При проектировании изменения механизмов нельзя безопасно скрывать внутри одного уравнения экстраполяции. В документе NUREG/CR-6150 (1994) описаны методы параметров Ларсона–Миллера и Мэнсона–Хеферда для моделирования повреждения при ползучести с разрушением в материалах, включая углеродистую и нержавеющую стали; эти методы упорядочивают данные, но не устраняют необходимость проверять структуру, окружающую среду, пределы деформации и механизм разрушения. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчётные свойства материалов, тогда как Section III, Division 5 устанавливает правила конструирования высокотемпературных компонентов реакторов. Директива Европейского союза 2014/68/EU также требует учитывать свойства, связанные с ползучестью, и установленные предельные значения там, где ползучесть имеет существенное значение при проектировании оборудования, работающего под давлением. Правильная интерпретация начинается с определения механизма, управляющего формой кривой, а не с одной приведённой величины «высокотемпературной прочности». #### Изменения микроструктуры во время эксплуатации Температура и напряжение продолжают вызывать диффузию, возврат дислокаций, укрупнение частиц, фазовые превращения и накопление повреждений после изготовления. Прочность, установленная при первоначальном приёмочном испытании, может не отражать структуру, определяющую ползучесть или разрушение после длительного воздействия. ## Как изменяется микроструктура стали при длительной выдержке Компонент из стали не сохраняет свою производственную микроструктуру неограниченно долго. После изготовления температура и напряжение продолжают вызывать диффузию, восстановление дислокаций, рост частиц, фазовые превращения и накопление повреждений. Поэтому структура, зафиксированная при приемочном испытании, может существенно отличаться от структуры, определяющей скорость ползучести или разрушение после 100 000 часов эксплуатации. ![Tempered-martensitic Grade 91 steel with laths and strengthening precipitates](/images/uploads/4145bfa8-db74-453d-b3ca-855c4995af95/wiki-inline-a-realistic-metallographic-micrograph-style-view-of-tempered-martensite-in-grade-1920x1920.jpg)[](/images/uploads/4145bfa8-db74-453d-b3ca-855c4995af95/wiki-inline-a-realistic-metallographic-micrograph-style-view-of-tempered-martensite-in-grade-1920x1920.avif "Увеличить изображение — Tempered-martensitic Grade 91 steel with laths and strengthening precipitates") Это различие имеет центральное значение для ферритных сталей с повышенной стойкостью к ползучести. ASTM E139-11(2018), опубликованный ASTM International, отделяет измерение деформации во времени при испытании на ползучесть от измерения времени до разрушения при испытании на длительную прочность или разрыв под напряжением. Оба результата зависят от структуры, существующей во время выдержки, а не только от исходной прочности при растяжении. Долговременное поведение марки 91 определяется отпущенным мартенситом, стабильностью выделений, формой изделия, термической обработкой и условиями эксплуатации, а не только номинальным химическим составом. Strong evidence ### Отпущенный мартенсит и бейнит в ферритных сталях #### Особенности, повышающие прочность марки 91 при ползучести - **Отпущенный мартенсит** Обеспечивает матрицу с высокой плотностью дислокаций и границами реек или пакетов. - **Карбиды M23C6** Обычно располагаются по бывшим аустенитным границам зёрен и границам реек. - **Частицы MX** Мелкодисперсные карбонитриды, содержащие ванадий и ниобий, остаются распределёнными внутри реек. - **Закрепление границ** Частицы препятствуют возврату и перемещению границ и субграниц. Марка 91 является показательным примером. Это обозначение обычно относится к семейству ферритных сплавов 9Cr-1Mo-V-Nb, поставляемых в соответствии с такими стандартами на продукцию, как ASTM A213, ASTM A335, ASTM A387, а также с родственными спецификациями, в каждой из которых точно указывается форма изделия. После аустенитизации, закалки или регулируемого охлаждения и отпуска в сплаве формируется отпущенная мартенситная структура. Некоторые ферритные стали с повышенной стойкостью к ползучести, включая отливки из марки C91, на которые распространяется ASTM A1091/A1091M, могут иметь отпущенную мартенситную или бейнитную структуру в зависимости от состава и термической истории. Свежий отпущенный мартенсит содержит высокую плотность дислокаций, тонкие границы реек или пакетов и распределение карбидных или карбонитридных частиц. Бейнит имеет собственное расположение реек и структуру дефектов, но также в значительной степени зависит от температуры превращения и последующего отпуска. Эти особенности препятствуют движению дислокаций и замедляют деформацию ползучести. Упрочнение обеспечивается не изолированными атомами хрома или молибдена как таковыми, а совокупным воздействием матрицы, границ, дислокаций и выделившихся частиц. В марке 91 богатые хромом карбиды M23C6 обычно располагаются по границам бывших аустенитных зерен и реек, тогда как мелкие карбонитриды типа MX, содержащие ванадий и ниобий, могут оставаться диспергированными внутри реек. ASTM A1091/A1091M описывает марку C91 как имеющую отпущенную мартенситную или бейнитную микроструктуру, стабилизированную выделившимися частицами, причем эта стабилизация способствует повышению длительной прочности. Частицы закрепляют границы зерен и субграницы, а реечная структура создает препятствия для восстановления. Интервалы срока до разрушения, приведённые в наборе данных NIMS по марке 91. Это сопротивление является временным, а не абсолютным. При рабочей температуре дислокации перегруппировываются и аннигилируют, рейки утрачивают исходный характер границ, а субзерна увеличиваются. Матрица постепенно приближается к конфигурации с более низкой энергией. По мере протекания этого восстановления минимальная скорость ползучести может возрастать, даже если приложенное напряжение и номинальная температура остаются постоянными. Поэтому термическая обработка, обеспечивающая превосходную кратковременную прочность, после длительной выдержки может стать менее эффективной. Набор данных NIMS по марке 91, опубликованный National Institute for Materials Science в 2024 году, охватывает диапазон температур от 450 до 725 °C и напряжений от 30 до 450 MPa. В нем приведены значения длительной прочности при 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часах. Эти интервалы времени нельзя считать взаимозаменяемыми: совокупность частиц, которая кажется стабильной во время испытания продолжительностью 1 000 часов, может укрупниться настолько, что это изменит результат для 100 000 часов. ### Выделение, укрупнение и превращения карбидов Выделения упрочняют ферритные стали только тогда, когда частицы имеют подходящие размер, расстояние между частицами, распределение и характер границы раздела с матрицей. Очень мелкие карбонитриды MX могут сохранять эффективность в течение длительного времени, тогда как более крупные частицы создают меньше препятствий на единицу объема. Укрупнение увеличивает среднее расстояние между частицами и снижает сопротивление движению дислокаций. Материал может размягчаться без появления таких очевидных макроскопических признаков, как поверхностное растрескивание. Превращения карбидов добавляют еще один аспект изменений. Частицы M23C6 могут укрупняться по границам, частично растворяться или обмениваться элементами с ферритной матрицей. Новые фазы могут образовываться, когда такие элементы, как молибден, вольфрам или другие легирующие добавки, становятся пересыщенными во время длительной выдержки. В марке 91 при старении в подходящих условиях наблюдалось выделение фазы Лавеса; ее образование первоначально может влиять на прочность и распределение растворенных элементов, но дальнейший рост способен расходовать упрочняющие элементы и способствовать локальному охрупчиванию или размягчению. Конкретное превращение зависит от состава, предшествующей термической обработки, температуры, напряжения и продолжительности выдержки. Стабильность частиц также различается в разных участках компонента. Зоны термического влияния сварки, полосы ликвации в отливках, области по границам зерен и участки вблизи поверхностей могут изначально иметь различное распределение выделений. В отливках из марки C91 структура затвердевания и локальный химический состав могут приводить к тому, что разные области стареют с различной скоростью. Одно значение твердости, полученное на доступной поверхности, не может подтвердить, что каждый участок подвергся одинаковым металлургическим изменениям. Состарившиеся частицы также могут изменять характер разрушения. Крупные карбиды по границам и восстановившиеся реечные структуры снижают сопротивление межзеренному скольжению и образованию полостей. При длительном действии напряжения вакансии и деформация могут концентрироваться по границам, где полости зарождаются вокруг частиц или включений. Конечное разрушение может быть транскристаллитным, межкристаллитным или смешанным. Таким образом, дисперсионное твердение и сопротивление разрушению под напряжением являются связанными, но не идентичными свойствами. ### Термическое старение и металлургическая нестабильность Термическое старение включает постепенные структурные изменения, вызываемые только температурой, тогда как ползучесть добавляет диффузию, ускоренную напряжением, движение дислокаций и рост полостей. Окисление, науглероживание, обезуглероживание и коррозионные отложения могут дополнительно изменять состав приповерхностного слоя. Эти воздействия окружающей среды способны создать размягченный слой или хрупкую окалину еще до того, как основной объем стали подвергнется сопоставимому старению. Марка 91 особенно чувствительна к истории изготовления и эксплуатации. Неправильная нормализация или отпуск могут привести к сохранению избыточного дельта-феррита, недостаточно отпущенного мартенсита или неподходящего состава выделившихся частиц. Во время эксплуатации циклическое нагружение может вызывать циклическое разупрочнение, причем реакция зависит от скорости деформации и температуры. K. Natesan из IAEA указывает циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменение микроструктуры как факторы, учитываемые при проектировании с учетом ползучести и усталости для ферритной стали марки 91. Именно поэтому сертификат на состояние материала после изготовления сам по себе не может определить допустимые характеристики при длительной эксплуатации. Для выявления восстановления, укрупнения частиц или повреждения границ могут потребоваться металлографическое исследование, картирование твердости, измерения по репликам, оценка сварных соединений и сведения об условиях эксплуатации. NIMS ведет систематически собранные данные по ползучести и разрушению для углеродистых, низколегированных, высокохромистых и аустенитных жаропрочных сталей; NIST характеризует данные по длительной прочности как один из основных классов информации о механических свойствах, используемой для оценки металлов при повышенной температуре. Правила проектирования должны учитывать изменение структуры. ASME BPVC Section II, Part D устанавливает расчетные свойства материалов, тогда как ASME Section III, Division 5 содержит правила конструирования высокотемпературных компонентов реакторов. Директива 2014/68/EU требует учитывать свойства, связанные с ползучестью, и установленные предельные значения в тех случаях, когда ползучесть существенно влияет на проектирование оборудования, работающего под давлением. Документ U.S. Nuclear Regulatory Commission NUREG/CR-6150, опубликованный в 1994 году, рассматривает методы Larson-Miller и Manson-Haferd для моделирования повреждения при длительной прочности. Такие параметры систематизируют данные испытаний, но не устраняют необходимость проверять, остается ли состарившаяся микроструктура сопоставимой со структурой испытанного материала. ## Семейства Сталей, Используемых Для Эксплуатации В Условиях Ползучести Национальный Институт Материаловедения (NIMS) организует долгосрочные данные в Creep Data Sheet по четырём практически значимым группам Сталей: углеродистые Стали, низколегированные Стали, высокохромистые Стали и аустенитные жаростойкие Стали. Эти категории отражают различные механизмы упрочнения и фазовые структуры, а не простую шкалу от слабых к прочным Сталям. Сталь может сохранять предел прочности при растяжении при определённой температуре, но при этом накапливать недопустимую деформацию; либо она может демонстрировать умеренную деформацию при ползучести, но разрушаться по механизму, обусловленному воздействием среды или изменением микроструктуры. Ползучесть — это зависящая от времени деформация под действием постоянных напряжения и температуры. Испытания на длительную прочность и разрушение при ползучести, напротив, акцентируют время до разрушения, хотя сами испытания и получаемые данные часто пересекаются. ASTM E139-11(2018) устанавливает методы измерения деформации во времени при испытаниях на ползучесть с постоянной нагрузкой и постоянной температурой, а также времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность. Это различие важно, поскольку конструкция может достичь допустимой деформации ещё до разрушения, тогда как другой компонент может сохранять приемлемые размеры вплоть до внезапного разрушения по границам зёрен. ### Углеродистые и Низколегированные Стали Углеродистые и низколегированные Стали занимают область с наименьшим содержанием легирующих элементов в базе данных NIMS. Их структуры обычно содержат феррит с перлитом, бейнитом или продуктами превращения, сформированными при нормализации и отпуске. Добавки молибдена, хрома, марганца, а иногда ванадия или никеля изменяют характер превращений, состав карбидных фаз, прокаливаемость и сопротивление разупрочнению. Упрочнение, обеспечиваемое такими структурами, эффективно при умеренно повышенных температурах, но снижается по мере ускорения процессов возврата, укрупнения карбидов и диффузии. Углеродистая Сталь не утрачивает всякую пригодность при повышенной температуре; её пределы зависят от напряжения, продолжительности воздействия, толщины сечения и допустимой деформации. Документ NUREG/CR-6150, опубликованный Комиссией по ядерному регулированию США в 1994 году, описывает расчёты повреждения при разрушении от ползучести с использованием параметров Larson–Miller и Manson–Haferd для материалов, включая углеродистую Сталь и нержавеющую Сталь. Такие параметры являются инструментами экстраполяции, а не заменой проверки диапазона испытаний, механизма разрушения и применимых проектных норм. Низколегированные Стали могут расширить рабочий температурный диапазон благодаря твердорастворному упрочнению и более стабильному распределению карбидов. Однако их эксплуатационные характеристики по-прежнему сильно зависят от состояния после отпуска. Нормализованная и отпущенная плита, закалённая и отпущенная поковка и бесшовная труба с иной историей охлаждения могут иметь одно и то же номинальное обозначение марки, но различаться размером бывших аустенитных зёрен, полосчатостью, остаточными напряжениями и распределением выделений. Сварка добавляет ещё одну переменную: зона термического влияния может иметь иные твёрдость и карбидную структуру по сравнению с основным металлом и определять длительную деформацию или разрушение. История эксплуатации продолжает металлургический процесс после изготовления. Длительный нагрев может приводить к сфероидизации перлита, укрупнению карбидов, графитизации склонных к этому углеродистых Сталей и снижению прочности. Повторяющиеся пуски и остановы вызывают повреждение от взаимодействия ползучести и усталости, а не только повреждение вследствие установившейся ползучести. Водяной пар, продукты сгорания, водород, сера и окислительные газы также могут изменять поверхность и создавать дефекты, которые не проявляются при лабораторном испытании в инертной среде. ### Высокохромистые Ферритные Стали и Стали с Повышенной Сопротивляемостью Ползучести Высокохромистые ферритные Стали используют хром для повышения стойкости к окислению, а легирующие добавки — для управления превращениями и дисперсионного упрочнения. Обычные марки с содержанием хрома 9–12 % и ферритные Стали с повышенной сопротивляемостью ползучести имеют отпущенную мартенситную структуру, содержащую иерархию границ и частиц. Сталь Grade 91, обычно обозначаемая как P91 для труб в соответствующих спецификациях оборудования, работающего под давлением, и как T91 для трубок, представляет собой Сталь системы 9Cr-1Mo-V-Nb. Её длительное поведение определяется структурой реек отпущенного мартенсита, стабилизированной богатами хромом карбидами, обычно описываемыми как M23C6, и мелкими выделениями карбонитридов MX, содержащими ванадий и ниобий. #### Термическая обработка контролирует срок службы Неправильные нормализация, аустенитизация, охлаждение или отпуск могут привести к чрезмерной твёрдости, остаточным напряжениям, неподходящим выделениям или структуре, не соответствующей материальной основе, принятой при проектировании. Набор данных NIMS для Grade 91 показывает, почему одно числовое значение «высокотемпературной прочности» вводит в заблуждение. Записи охватывают температуры от 450 до 725 °C и напряжения от 30 до 450 MPa; длительная прочность при разрушении приведена для 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов (NIMS, 2024). Ранжирование по напряжению может изменяться в зависимости от времени и температуры, поскольку рейки претерпевают возврат, выделения укрупняются, а границы утрачивают способность препятствовать движению дислокаций. При низком напряжении и длительной выдержке эти изменения могут определять поведение сильнее, чем исходная прочность при комнатной температуре. Термическая обработка не является второстепенной производственной деталью для Grade 91. Нормализация формирует исходную мартенситную структуру, а отпуск регулирует твёрдость, остаточные напряжения и развитие выделений. Чрезмерный отпуск, неправильная аустенитизация или недостаточная скорость охлаждения могут привести к формированию структуры, не соответствующей принятой материаловой основе. Особенно важны ремонтная сварка и термические циклы изготовления. Мелкозернистая область зоны термического влияния может подвергаться ускоренной ползучести и растрескиванию типа IV, даже если основной металл плиты или трубы соответствует требованиям кратковременной спецификации. \[3\] \[3\] **Wilshire-equation and continuum-damage-mechanics study of P91 steel**. Authors to be verified against the linked record. U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information record, 2022. U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information linked record ASTM A1091/A1091M распространяется на литые ферритные легированные Стали Grade C91 с повышенной сопротивляемостью ползучести, предназначенные для деталей, удерживающих давление. Концепция материала, заложенная в этом стандарте, основана на отпущенной мартенситной или бейнитной структуре, стабилизированной выделившимися частицами. Литьё создаёт собственные проблемы, включая ликвацию, различия в охлаждении отдельных участков, пористость и локальные вариации распределения частиц. Поэтому литой компонент нельзя оценивать только по номинальному химическому составу. В исследовании 2022 года, зарегистрированном Управлением научной и технической информации Министерства энергетики США, уравнения Wilshire были объединены с механикой повреждения сплошной среды для прогнозирования деформации при ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждения и долговечности до разрушения при заданном напряжении для Стали P91. Такой подход отражает практическую необходимость одновременно моделировать несколько выходных характеристик. В материалах K. Natesan для IAEA, посвящённых Grade 91, циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие среды и изменение микроструктуры также рассматриваются как переменные при проектировании с учётом взаимодействия ползучести и усталости. ### Аустенитные Жаростойкие Стали Аустенитные жаростойкие Стали основаны на гранецентрированной кубической матрице, стабилизированной главным образом никелем, тогда как хром обеспечивает стойкость к окислению. К распространённым семействам для оборудования, работающего под давлением, и энергетических установок относятся 304H, 316H, 321H, 347H и более высоколегированные марки, такие как 310H, хотя конкретное обозначение и допустимость применения определяются соответствующими стандартами на продукцию и строительство. Их аустенитная фаза остаётся стабильной в широком диапазоне температур, а низкая склонность к превращениям обеспечивает возможность эксплуатации в условиях, где ферритные Стали претерпевали бы фазовые изменения. Сопротивляемость ползучести обеспечивается твердорастворными эффектами и выделениями. Углерод, азот, ниобий, титан и регулируемое содержание бора могут влиять на карбиды, карбонитриды и поведение границ зёрен. В стабилизированных марках, таких как 321H и 347H, титан или ниобий связывает углерод, однако при эксплуатации всё же могут происходить перераспределение карбидов, обеднение хромом, связанное с сенсибилизацией, образование сигма-фазы в восприимчивых составах или изменения на границах зёрен. Холодная деформация может повысить исходную прочность, одновременно увеличивая запасённую энергию и риск рекристаллизации при эксплуатации. Аустенитные Стали также имеют более высокий коэффициент теплового расширения и более низкую теплопроводность по сравнению с ферритными марками. Эти свойства влияют на термические напряжения, жёсткость закрепления, проектирование сварных соединений и взаимодействие ползучести и усталости. Форма поставки имеет значение: лист, плита, труба, пруток, поковка и отливка получают различную термическую историю и могут иметь разный размер зёрен или текстуру. Длительная эксплуатация может дополнительно изменять все эти формы материала вследствие старения, окисления, науглероживания, азотирования или пылевидного распада металла. При проектировании измеренные данные следует интерпретировать в соответствии с действующими нормами, а не выбирать только по наименованию марки. NIST относит данные о длительной прочности при разрушении к основным категориям информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенной температуре. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчётные свойства материалов, тогда как Section III, Division 5 устанавливает правила конструирования высокотемпературных компонентов реакторов. Директива Европейского союза 2014/68/EU также требует учитывать свойства, связанные с ползучестью, и установленные предельные значения в случаях, когда ползучесть имеет существенное значение. Температура, напряжение, продолжительность, среда, состояние после изготовления и история эксплуатации определяют, какая часть данных применима. ## Grade 91 и P91: как правильно интерпретировать доказательные данные ### Обозначения стали 9Cr-1Mo-V-Nb Обозначения, связанные с маркой 91, зависят от стандарта на изделие и его формы. | Обозначение | Форма изделия или применение | |---|---| | T91 | Бесшовные трубы из ферритной и аустенитной легированной стали для котлов, пароперегревателей и теплообменников согласно ASTM A213 | | P91 | Бесшовные трубы из ферритной легированной стали для высокотемпературной эксплуатации согласно ASTM A335 | | Марка 91 | Лист для сосудов под давлением согласно ASTM A387 | | C91 | Отливки из ферритной легированной стали с повышенной стойкостью к ползучести для деталей, работающих под давлением, согласно ASTM A1091/A1091M | «Grade 91» обозначает семейство ферритных сталей с повышенной длительной прочностью, а не одно универсальное состояние материала. Обычный химический состав описывается как 9Cr-1Mo-V-Nb: приблизительно 9% хрома, молибден, ванадий и ниобий, а также контролируемые добавки азота и углерода. Полезная прочность при высоких температурах обусловлена не только номинальным химическим составом. Отпущенная мартенситная структура содержит тонкодисперсное распределение выделений, включая карбиды, обогащённые хромом, и карбонитриды ванадия и ниобия типа MX. Эти частицы препятствуют движению дислокаций, а реечная структура и её границы обеспечивают дополнительное сопротивление ползучести. Обозначение меняется в зависимости от стандарта на продукцию. ASTM A213 использует **T91** для бесшовных ферритных и аустенитных труб из легированной стали для котлов, пароперегревателей и теплообменников. ASTM A335 использует **P91** для бесшовных труб из ферритной легированной стали, предназначенных для эксплуатации при высоких температурах. ASTM A387 использует **Grade 91** для листов для сосудов, работающих под давлением. Спецификации материалов ASME могут воспроизводить эти обозначения как SA-213 T91, SA-335 P91 и SA-387 Grade 91. Это различие имеет значение. «P91» обычно описывает трубную продукцию или компонент, изготовленный и обозначенный как P91; это обозначение автоматически не распространяется на каждый образец 9Cr-1Mo-V-Nb. «Grade 91» часто используется как более широкое обозначение семейства материалов, особенно при обсуждении листовой продукции, труб и стали в нормализованном и отпущенном состоянии. В протоколе испытаний, где указано только «Grade 91», ещё недостаточно информации для установления эквивалентности с трубой P91, находящейся в эксплуатации. Номер плавки, форма изделия, толщина стенки, способ изготовления, состояние сварного соединения, режим аустенитизации, режим отпуска и послесварочная термическая обработка — всё это может изменить результат. Такая же осторожность необходима в отношении **C91**. ASTM A1091/A1091M распространяется на литые изделия из ферритной легированной стали Grade C91 с повышенной длительной прочностью, предназначенные для деталей, работающих под давлением. C91 — это не просто другое написание P91. Кристаллизация отливки, ликвация, размер сечения и термическая обработка формируют иную доказательную базу, даже если предполагаемый механизм обеспечения длительной прочности связан с отпущенной мартенситной или бейнитной структурой, стабилизированной выделившимися частицами. Область охвата набора данных NIMS 2024 года по марке 91. | Атрибут набора данных | Заявленный охват | |---|---| | Материал | Сталь 9Cr-1Mo-V-Nb | | Формы изделий | Трубы, листы и трубопроводы | | Температура | от 450 до 725 °C | | Напряжение | от 30 до 450 MPa | | Представление данных о сроке до разрушения | 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов | ### Данные по трубам, листам и трубной продукции База данных Creep Data Sheet Национального института материаловедения (NIMS) представляет собой полезный центральный источник, поскольку в ней систематически собранные долгосрочные данные разделены для углеродистых, низколегированных, высокохромистых и аустенитных жаропрочных сталей. Набор данных за 2024 год для **стали 9Cr-1Mo-V-Nb** включает трубы, листы и трубную продукцию. Испытания проводились в диапазоне температур **от 450 до 725 °C**, а диапазон напряжений составлял **от 30 до 450 MPa**. Длительная прочность при разрушении приводится для **100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов**. Эти интервалы не являются четырьмя взаимозаменяемыми «значениями прочности». Каждый из них представляет экстраполированное или наблюдаемое положение на зависящей от времени зависимости между напряжением, температурой, деформацией и разрушением. Напряжение, при котором материал выдерживает 100 часов, может быть неприемлемым при 100 000 часах. При постоянном напряжении повышение температуры ускоряет деформацию и повреждение; при постоянной температуре снижение напряжения может изменить ожидаемое время до разрушения на несколько порядков. Поэтому NIMS предоставляет массив доказательных данных, а не единственный показатель Grade 91. Различие между ползучестью и разрушением при напряжении должно оставаться ясным. ASTM E139-11(2018), выпущенный ASTM International, устанавливает методы измерения деформации как функции времени при испытаниях на ползучесть, а также времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность и разрушение при напряжении в условиях постоянной растягивающей нагрузки и температуры. При испытании на ползучесть основное внимание может уделяться деформации, включая минимальную скорость ползучести и переход от первичной к вторичной и третичной стадиям ползучести. При испытании на разрушение основное внимание уделяется времени до разрушения, удлинению, относительному сужению и месту разрушения. Материал может демонстрировать приемлемую долговечность до разрушения, одновременно накапливая недопустимую деформацию до наступления разрушения. И наоборот, компонент может превысить допустимый предел деформации, не приближаясь к растягивающему разрушению. NIST относит данные о длительной прочности при разрушении к основному классу информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенных температурах. Именно поэтому интервалы NIMS следует рассматривать с учётом определений испытаний, размеров образцов, термической обработки и критериев разрушения. Они не заменяют таблицы допускаемых напряжений, установленные расчётными нормами. Результаты для труб, листов и трубной продукции не следует безоговорочно объединять. Трубы часто изготавливают прошивкой, экструзией или холодной обработкой с последующими обработкой на твёрдый раствор и отпуском; история деформирования и градиенты толщины стенки у них могут отличаться от характеристик горячекатаного листа. Трубная продукция может быть бесшовной или сварной, с различными остаточными напряжениями, геометрией и требованиями к контролю. Для листа характерны собственная текстура прокатки, неоднородность по толщине и влияние размера сечения. Даже если все три вида продукции соответствуют номинальному химическому составу Grade 91, размер бывшего аустенитного зерна, строение мартенситных реек, количество выделений и распределение примесей могут различаться. Ориентация образца также имеет значение. Продольный образец трубы не обязательно представляет поперечный образец листа, а небольшой лабораторный образец может не воспроизводить термическую историю толстостенного компонента, работающего под давлением. Сварной металл и зоны термического влияния требуют самостоятельной доказательной базы. Разрушение типа IV, развивающееся вблизи границы мелкозернистой зоны термического влияния в некоторых сварных соединениях Grade 91, может определять срок службы изделия даже при удовлетворительной длительной прочности основного металла. ### Почему форма изделия и термическая обработка влияют на результаты Сталь Grade 91 требует тщательно контролируемого состояния после нормализации и отпуска. Нормализация формирует структуру бывшего аустенита; отпуск снимает часть напряжений и формирует совокупность карбидов и карбонитридов, обеспечивающую длительную прочность. Чрезмерный отпуск может привести к укрупнению выделений и снижению сопротивления ползучести. Недостаточный отпуск может оставить чрезмерную твёрдость, остаточные напряжения и склонность к растрескиванию. Поэтому соответствующие температура, время выдержки, скорость охлаждения и толщина сечения должны указываться наряду с обозначением марки при любом серьёзном сравнении. Длительная эксплуатация также изменяет структуру. Карбидные превращения, укрупнение выделений, восстановление реечной структуры, термическое старение, циклическое разупрочнение и воздействие среды изменяют как минимальную скорость ползучести, так и долговечность до разрушения. В обсуждении K. Natesan, посвящённом проектированию с учётом ползучести и усталости стали Grade 91, зависимость от скорости деформации, циклическое разупрочнение, термическое старение, воздействие среды и изменения микроструктуры рассматриваются как взаимодействующие факторы. Кривая разрушения при постоянной нагрузке не может учитывать каждый из них. Исследование на основе подхода Wilshire к механике повреждений сплошной среды, представленное Министерством энергетики США в 2022 году, иллюстрирует проблему моделирования: его модель объединяет уравнения Wilshire с механикой повреждений сплошной среды для прогнозирования деформации ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждения и долговечности до разрушения при напряжении для стали P91. Такая модель информативнее, чем аппроксимация одной прямой через точки разрушения, однако она по-прежнему зависит от состояния материала и достоверных калибровочных данных. Методы параметров Larson-Miller и Manson-Haferd, рассмотренные в документе Комиссии по ядерному регулированию США NUREG/CR-6150 (1994) применительно к моделированию повреждений при разрушении от ползучести, также сворачивают зависимость «температура—время» в удобные инженерные формы; они не устраняют неопределённость экстраполяции. Именно расчётные нормы определяют, каким образом лабораторные данные превращаются в допустимое напряжение или ограничение срока службы. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчётные свойства материалов, а ASME Section III, Division 5 устанавливает правила конструирования высокотемпературных компонентов реакторных установок. Директива 2014/68/EU требует учитывать свойства, связанные с ползучестью, и установленные ограничения там, где ползучесть имеет существенное значение при проектировании оборудования, работающего под давлением. Поэтому корректный вопрос заключается не в том, «насколько прочна сталь Grade 91?», а в следующем: какое изделие, в каком состоянии после термической обработки, при каких температуре и напряжении, в течение какого времени, при каком критерии деформации и разрушения и в соответствии с какими расчётными нормами следует оценивать? ## Испытания на ползучесть в соответствии с ASTM E139 ASTM E139-11(2018), опубликованный ASTM International, устанавливает процедуры определения зависящей от времени деформации металлических материалов при длительном растягивающем нагружении и повышенной температуре. Стандарт также охватывает испытания на длительную прочность и прочность при разрушении под напряжением, при которых основным результатом является время до разрушения. Таким образом, испытание обеспечивает контролируемую характеристику поведения материала, а не универсальное значение «прочности при высокой температуре». ![Creep-testing machine with a steel specimen, extensometer, and thermocouples](/images/uploads/f329a6f4-053f-464d-9566-19b1c78b865b/wiki-inline-a-laboratory-creep-testing-machine-holding-a-steel-tensile-specimen-inside-a-con-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/f329a6f4-053f-464d-9566-19b1c78b865b/wiki-inline-a-laboratory-creep-testing-machine-holding-a-steel-tensile-specimen-inside-a-con-1920x1288.avif "Увеличить изображение — Creep-testing machine with a steel specimen, extensometer, and thermocouples") Это различие имеет значение. Испытание на ползучесть может показать, насколько быстро удлиняется образец, снижается или повышается скорость его деформации и когда происходит разрушение. Однако оно не гарантирует, что сосуд под давлением, труба, отливка, сварное соединение или компонент турбины прослужит такой же период. Условия эксплуатации могут включать многоосное напряжённое состояние, температурные градиенты, остаточные сварочные напряжения, окисление, коррозию, вибрацию, циклическое нагружение, переходные процессы при пуске и остановке, а также локальные концентрации напряжений, обусловленные геометрией. ASTM E139 контролирует важные переменные, но не может воспроизвести все особенности работающего компонента. ![Schematic of dislocation motion and recovery around precipitates in Grade 91 steel](/images/uploads/82586e20-977c-4752-8915-9baf0418466b/wiki-inline-a-cross-sectional-schematic-of-steel-microstructure-showing-dislocation-glide-di-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/82586e20-977c-4752-8915-9baf0418466b/wiki-inline-a-cross-sectional-schematic-of-steel-microstructure-showing-dislocation-glide-di-2027x2560.avif "Увеличить изображение — Schematic of dislocation motion and recovery around precipitates in Grade 91 steel") ### Контроль образца, нагрузки и температуры Испытание начинается с изготовления механически обработанного образца для испытания на растяжение, вырезанного из изделия с определённой формой, ориентацией, плавкой и состоянием материала. Диаметр или толщина, расчётная длина, состояние поверхности и любая термическая обработка должны быть зарегистрированы, поскольку эти параметры влияют как на деформацию, так и на разрушение. Труба, лист и трубная заготовка из стали Grade 91 могут иметь различную предшествующую обработку, текстуру, толщину стенки и микроструктуру, даже если все они обозначены как сталь 9Cr-1Mo-V-Nb. Результаты, полученные для одной формы изделия, не следует переносить на другую без металлургического и конструкторского обоснования. Образец устанавливают в установку для испытаний на ползучесть, создающую длительно действующую растягивающую силу. ASTM E139 описывает испытания при постоянных растягивающей силе и температуре; заявленное номинальное напряжение рассчитывают по заданной исходной площади поперечного сечения и приложенной силе. Машина должна удерживать силу без непреднамеренного разгружения, ударного нагружения или существенной эксцентричности. Центрирование имеет критическое значение. Изгиб, накладывающийся на растяжение, может ускорить деформацию с одной стороны рабочей части образца и привести к ошибочно заниженному времени до разрушения. Контроль температуры имеет не меньшее значение. Рабочую часть образца окружает печь, а откалиброванные термопары контролируют температуру образца или непосредственной области вокруг него. В отчёте об испытании следует указать заданную и измеренную температуры, допустимое отклонение температуры, расположение термопар, скорость нагрева, если она имеет значение, а также время достижения образцом заданного испытательного состояния. Несколько градусов могут изменить диффузию, процессы возврата, стабильность выделений и скорость ползучести, особенно при длительных выдержках. Однородность температуры по длине рабочей части должна быть доказана, а не приниматься на веру. Нагретый и охлаждённый концы создают неоднородную историю напряжённо-температурного воздействия, которая не представлена номинальной температурой испытания. Заявленные напряжение и температура определяют результат. Набор данных NIMS 2024 Grade 91 Creep Data Sheet наглядно показывает это: он охватывает сталь 9Cr-1Mo-V-Nb в диапазоне температур от 450 до 725 °C и напряжений от 30 до 450 MPa, причём прочность при длительном разрушении указана для 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Эти значения представляют собой структурированную карту для конкретного семейства сплавов, состояния изделия, диапазона напряжений, диапазона температур и метода испытания. Это не одно-единственное свойство Grade 91. ### Измерение деформации и регистрация времени до разрушения При испытании на ползучесть удлинение регистрируют как функцию времени. Получаемая кривая обычно включает первичную ползучесть, при которой скорость деформации снижается; вторичную, или установившуюся, ползучесть, при которой скорость относительно стабильна; и третичную ползучесть, при которой перед разрушением происходят повреждение и ускоряющаяся деформация. Границы между этими стадиями не являются фиксированными константами материала. Они изменяются в зависимости от напряжения, температуры, состояния образца, окружающей среды и выбранного метода измерения. Экстензометр измеряет удлинение рабочей длины, обычно с помощью стержней или других контактирующих элементов, соединённых с образцом. Его рабочая длина, разрешение, калибровка, допустимый температурный диапазон, способ крепления и момент снятия должны быть документированы. В некоторых длительных испытаниях экстензометр снимают до начала третичной деформации или разрушения, чтобы защитить прибор. В таком случае в отчёте необходимо указать изменение методики измерения и отличить непосредственно измеренную деформацию от последующих наблюдений, например конечного удлинения. В протоколе данных следует сохранять значения прошедшего времени, удлинения или деформации, силы, температуры образца и соответствующего состояния измерительных приборов. Интервалы регистрации должны позволять зафиксировать начальный переходный процесс, не создавая при этом необрабатываемого объёма данных при продолжительности испытания в тысячи часов. Одна минимальная скорость ползучести, извлечённая из кривой, менее информативна, чем сама кривая, особенно если материал демонстрирует длительную первичную стадию или резко выраженную третичную стадию. При испытании на длительное разрушение или прочность при разрушении под напряжением регистрируют время до разрушения, а также место и характер разрушения. «Долговечность до разрушения» не равна допустимому сроку эксплуатации. Образец может разрушиться вследствие локализованного образования шейки, внутренней кавитации, межкристаллитного растрескивания, растрескивания, ускоренного окислением, или сочетания механизмов, отличающегося от предполагаемого механизма разрушения компонента. Конечное удлинение, относительное сужение, вид излома и результаты металлографических наблюдений помогают установить, что именно означает зарегистрированное время. Именно поэтому NIST рассматривает данные о длительном разрушении как один из основных видов информации о механических свойствах при оценке металлов при повышенной температуре, тогда как проектные нормы требуют дополнительной интерпретации. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчётные свойства материалов, а ASME Section III, Division 5 устанавливает правила сооружения высокотемпературных реакторных установок. Директива Европейского союза 2014/68/EU также требует учитывать свойства, связанные с ползучестью, и установленные предельные значения, если ползучесть имеет существенное значение при проектировании оборудования, работающего под давлением. ### Повторяемость, прерывания и качество данных Повторяемость зависит не только от проведения испытаний двух образцов при одинаковых номинальных напряжении и температуре. Образцы должны быть изготовлены из сопоставимого материала, пройти одинаковую подготовку и подвергаться эквивалентным воздействиям при нагружении и нагреве. Различия в размере зерна, отпуске, количестве выделений, обезуглероживании, предшествующей холодной деформации или расположении сварного шва могут приводить к реальному разбросу результатов. Например, для отливок Grade C91, на которые распространяется ASTM A1091/A1091M, важны отпущенная мартенситная или бейнитная структура и стабилизирующие выделившиеся частицы; небольшие изменения технологии могут изменить длительную прочность. Каждое прерывание требует документирования. Потеря электропитания, перерегулирование температуры печи, снятие экстензометра, падение силы, замена термопары, остановка машины или временное снятие нагрузки могут изменить историю деформации. В отчёте следует указать дату и продолжительность события, напряжение и температуру до и после него, причину прерывания и факт возобновления испытания. Возобновлённое испытание не считается автоматически эквивалентным непрерывной выдержке. При контроле качества следует сопоставить каналы регистрации силы, температуры, деформации и прошедшего времени, выявляя пропуски или неправдоподобные скачки. После разрушения образец необходимо осмотреть, а отклонения от ASTM E139 следует указывать открыто, а не скрывать в сноске. Долговременная экстраполяция также требует осторожности. В NUREG/CR-6150 рассматриваются методы параметров Larson-Miller и Manson-Haferd для моделирования повреждения при длительном разрушении, однако такие параметры обобщают результаты испытаний; они не устраняют неопределённость, связанную со старением микроструктуры, воздействием окружающей среды или изменением эксплуатационного напряжения. В исследовании стали P91, опубликованном в 2022 году и основанном на методах Wilshire и механики повреждения сплошной среды, была предпринята попытка прогнозировать деформацию при ползучести, минимальную скорость ползучести, повреждение и долговечность до разрушения под напряжением, что показывает необходимость раздельного рассмотрения деформации и разрушения. Обоснованная формулировка результата по ASTM E139 носит условный характер: данный образец в данном состоянии материала выдержал указанное растягивающее напряжение при данной измеренной температуре в соответствии с данной процедурой и продемонстрировал такую-то историю деформации или такое-то время до разрушения. Любое более широкое заключение требует данных дополнительных испытаний и применения соответствующего проектного норматива. ## От кривых ползучести к расчетному напряжению ### Минимальная скорость ползучести и прочность при разрушении Семейства сталей, применяемые в условиях, требующих стойкости к ползучести. | Группа сталей | Характеристики, указанные в статье | |---|---| | Углеродистые стали | Ферритные структуры с перлитом, бейнитом или отпущенными составляющими; прочность снижается по мере ускорения возврата и диффузии. | | Низколегированные стали | Легирующие добавки изменяют характер превращений, состав карбидных фаз, прокаливаемость и сопротивление разупрочнению. | | Высокохромистые ферритные стали | Структуры из отпущенного мартенсита используют границы и выделения для сопротивления ползучести. | | Аустенитные жаростойкие стали | Гранецентрированные кубические матрицы используют стабилизацию никелем, стойкость хрома к окислению и выделение вторичных фаз. | Кривая ползучести отражает зависимость деформации от времени при заданных температуре и приложенном напряжении. Ее привычные первичный, вторичный и третичный этапы являются полезным описанием процесса, однако они не представляют собой взаимозаменяемые расчетные характеристики. Минимальная скорость ползучести, обычно измеряемая на относительно установившемся вторичном этапе, показывает, насколько быстро в компоненте накапливается остаточная деформация. Прочность при разрушении вследствие ползучести, напротив, характеризует напряжение, вызывающее разрушение по истечении заданного времени. Поэтому сталь может иметь приемлемую долговечность до разрушения, одновременно накапливая чрезмерную деформацию, или демонстрировать низкую минимальную скорость ползучести, но разрушаться преждевременно из-за дефектов, воздействия окружающей среды или нестабильной микроструктуры. Международная организация ASTM International в документе ASTM E139-11(2018) устанавливает методику проведения испытаний, необходимых для разграничения этих характеристик. Документ охватывает измерение деформации как функции времени при испытаниях на ползучесть, а также измерение времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность и на разрушение под напряжением для металлических материалов, выдерживаемых при постоянных растягивающей силе и температуре. Результат испытания — это не просто «прочность при высокой температуре». Это точка или кривая, связанные с температурой, напряжением, геометрией образца, состоянием материала и продолжительностью выдержки. Для такого материала, как Grade 91, эти оговорки имеют принципиальное значение. База данных по ползучести Creep Data Sheet Национального института материаловедения (NIMS) содержит систематически собранные результаты для углеродистых, низколегированных, высокохромистых и аустенитных жаропрочных сталей. Набор данных по Grade 91 охватывает трубы, листы и трубный прокат из стали 9Cr-1Mo-V-Nb в диапазоне от 450 до 725 °C и от 30 до 450 MPa; прочность при разрушении вследствие ползучести приведена для продолжительности испытаний 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов (NIMS, 2024). Эти четыре значения продолжительности показывают, почему напряжение, приемлемое для 100-часового испытания, нельзя без дополнительных оснований переносить на срок эксплуатации установки, составляющий 100 000 часов. Форма кривой ползучести также выявляет механизмы, которые скрывает отдельная точка разрушения. Отпущенная мартенситная сталь Grade 91 зависит от тонкодисперсного распределения выделившихся частиц и стабильности субструктуры. Рекристаллизационные процессы восстановления, реакции с участием карбидов или нитридов, термическое старение, циклическое разупрочнение и предшествующая история изготовления могут изменять минимальную скорость ползучести в процессе эксплуатации. Например, ASTM A1091/A1091M устанавливает требования к литой ферритной легированной стали Grade C91 с повышенной прочностью при ползучести, предназначенной для деталей, работающих под давлением; ее отпущенная мартенситная или бейнитная микроструктура стабилизируется выделившимися частицами, повышающими прочность при разрушении вследствие ползучести. Однако это преимущество имеет ограниченные условия применимости. Укрупнение частиц и восстановление субструктуры могут уменьшать его при длительной выдержке. Исследование механики повреждения сплошной среды на основе модели Wilshire, опубликованное через Управление научно-технической информации Министерства энергетики США, демонстрирует более полезную цель моделирования для стали P91: совместное прогнозирование деформации ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждения и долговечности до разрушения под напряжением. Такая модель информативнее, чем подгонка только по долговечности до разрушения, хотя и она требует верификации для соответствующей плавки, формы изделия, диапазона напряжений, температуры и истории нагружения. В работе K. Natesan по проектированию с учетом взаимодействия ползучести и усталости для Grade 91, подготовленной при участии IAEA, также указываются зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды, циклическое разупрочнение и изменение микроструктуры как переменные, способные изменять поведение материала в эксплуатации. ### Допускаемое напряжение и критерии, зависящие от времени Расчетное напряжение выбирают путем сопоставления расчетных нагрузок на компонент с несколькими предельными характеристиками материала, а не путем считывания одного значения из таблицы прочности при растяжении. При повышенной температуре нормативный документ может ограничивать напряжение с учетом допустимой суммарной деформации, минимальной скорости ползучести, долговечности до разрушения, предела текучести или условного предела текучести, повреждения от усталости, местной потери устойчивости либо установленной доли зависящей от времени характеристики материала. Определяющее значение может изменяться в зависимости от температуры и расчетного срока службы. Тонкостенный сосуд, работающий под давлением, наглядно демонстрирует это различие. Если мембранное напряжение достаточно мало, чтобы исключить немедленное течение материала, но вызывает чрезмерную деформацию ползучести, то допуски на размеры, соосность клапанов или утонение стенки могут стать неприемлемыми задолго до разрушения. И наоборот, толстостенная деталь может удовлетворять ограничению по деформации, тогда как наличие надреза, зоны термического влияния сварного шва или многоосное напряженное состояние будет определять оценку разрушения. Потеря устойчивости и пластическая неустойчивость также могут стать определяющими до достижения критерия по деформации ползучести или разрушению. Директива Европейского союза 2014/68/EU, известная как Директива по оборудованию, работающему под давлением, требует учитывать характеристики материала, связанные с ползучестью, и установленные предельные значения, если ползучесть имеет существенное значение при проектировании оборудования, работающего под давлением. Поэтому вопрос заключается не только в том, помечена ли марка как жаропрочная. Проектировщик должен установить, какие данные по ферритной или аустенитной стали применимы, какие температура и продолжительность являются определяющими и какие механизмы отказа должны учитываться в процедуре подтверждения соответствия и проектирования. ASME поручает выполнение этой работы правилам и табличным характеристикам, установленным для конкретных нормативных документов, а не оставляет ее на усмотрение неограниченной экстраполяции лабораторных кривых. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчетные характеристики материалов, а ASME BPVC Section III, Division 5 — правила конструирования высокотемпературных компонентов реакторов. Эти нормативные комплексы могут устанавливать ограничения по допускаемому напряжению, деформации ползучести, усталости, взаимодействию ползучести и усталости, продолжительности эксплуатации и накоплению повреждений. Их значения нельзя переносить из одного нормативного комплекса в другой: допускаемое напряжение, рассчитанное по одному правилу, не становится автоматически приемлемым в соответствии с Директивой по оборудованию, работающему под давлением, или ядерными нормами конструирования. NIST относит данные о прочности при разрушении вследствие ползучести к основным видам информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенной температуре. Именно поэтому такие базы данных, как NIMS, имеют большую ценность: они сохраняют сведения о времени, температуре, напряжении, форме изделия и обозначении материала, относящиеся к каждому результату. Они не устраняют необходимость инженерной оценки, но делают ее основу прозрачной. ### Запасы безопасности и пределы экстраполяции #### Не рассматривайте далёкую экстраполяцию как наблюдение Прогноз срока до разрушения 100 000 часов по результатам испытания длительностью 1 000 часов предполагает, что те же механизмы сохраняются ещё на два порядка величины. Укрупнение выделений, окисление, возврат или новый механизм разрушения могут сделать это предположение недействительным. Запас безопасности не является универсальным процентом, который добавляют после проведения испытания. Он отражает неопределенность, связанную с разбросом свойств материала, измерением температуры, расчетом напряжений, качеством сварных соединений, воздействием окружающей среды, историей нагружения и последствиями каждого механизма отказа. Нормативные документы переводят эти неопределенности в установленные расчетные значения, понижающие коэффициенты, доли ресурса или отдельные ограничения. Компоненту может потребоваться запас как против чрезмерной деформации, так и против разрушения; определяющим становится меньшее из допускаемых напряжений. Интерполяция внутри квалифицированного набора данных является сравнительно обоснованной. Если результаты для Grade 91 охватывают требуемые значения напряжения, температуры и продолжительности, а образцы соответствуют форме изделия и режиму термической обработки компонента, оценка значения между близлежащими результатами может опираться на наблюдаемые тенденции. Даже в этом случае важны полосы разброса и процедуры, установленные нормативным документом. Экстраполяция — иная задача. Прогнозирование ресурса до разрушения в течение 100 000 часов по результатам 1 000-часового испытания предполагает, что те же механизмы деформации и повреждения сохраняются еще на два порядка времени. Это предположение может оказаться неверным, если происходит укрупнение выделившихся частиц, ускоряется окисление или возникает новый механизм разрушения. Параметры Larson-Miller и Manson-Haferd, рассмотренные для углеродистой и нержавеющей сталей в документе Комиссии по ядерному регулированию США NUREG/CR-6150 (1994), дают полезные корреляции, но не являются физическим основанием для игнорирования изменений механизмов. Рискованной является и экстраполяция кривой за пределы испытанного температурного диапазона. Изменение температуры может активировать диффузию, восстановление, фазовое превращение или реакции с окружающей средой, отсутствовавшие в испытании. Поэтому долгосрочные прогнозы следует основывать на испытаниях, приближающихся по продолжительности к предполагаемому сроку эксплуатации, и подтверждать исследованием микроструктуры, данными по сварным соединениям и периодическим контролем. Расчетное напряжение можно считать достоверным только тогда, когда его ограничения по времени, температуре, деформации, разрушению и требованиям нормативного документа соответствуют конкретной эксплуатационной задаче. ## Экстраполяция долгосрочных данных и параметрические методы Проектирование с учетом длительной ползучести часто требует прогнозирования за пределами продолжительности имеющихся испытаний. Ожидается, что компонент будет работать в течение 100 000 часов, тогда как протокол испытаний содержит лишь несколько результатов для 1 000 или 10 000 часов. Параметрические методы устраняют этот пробел, объединяя температуру и время в единую эмпирическую величину и позволяя совместно аппроксимировать данные о разрушении, полученные при нескольких температурах. Они не создают новых наблюдений. Они дают экстраполяцию, надежность которой зависит от диапазона испытаний, состояния материала, интервала напряжений и сохранения применимости механизма деформации. Это различие имеет значение, поскольку ползучесть и разрушение под напряжением связаны, но представляют собой разные виды измерений. ASTM E139-11(2018), опубликованный ASTM International, регламентирует определение деформации как функции времени при испытаниях на ползучесть, а также времени до разрушения при испытаниях на разрушение от ползучести и разрушение под напряжением при постоянных растягивающей силе и температуре. Поэтому кривая срока службы до разрушения сама по себе не может описать накопление деформации, минимальную скорость ползучести, повреждение на третичной стадии или предельную деформацию, достигнутую до разрушения. Параметр Ларсона—Миллера **Параметр Ларсона—Миллера** Эмпирический температурно-временной параметр, обычно записываемый как P\_LM = T(C + log10 t\_r), для систематизации данных о ползучести и разрушении. NUREG/CR-6150, выпущенный Комиссией по ядерному регулированию США в 1994 году, описывает моделирование повреждения при разрушении от ползучести с использованием параметров Larson–Miller и Manson–Haferd для таких материалов, как углеродистая и нержавеющая сталь. Эти методы представляют собой эмпирические процедуры свертывания кривых. Полученный результат может использоваться в инженерных расчетах, однако он должен оставаться связанным с материалом и совокупностью испытаний, на основе которых были определены аппроксимирующие константы. ### Параметрические методы Larson–Miller Параметр Larson–Miller обычно записывается в виде PLM=T⁢(C+log10⁢tr)где T — абсолютная температура, tr — время до разрушения, а C — аппроксимируемая константа материала. Температура может выражаться в кельвинах или градусах Ранкина при условии последовательного использования одной и той же системы единиц. Затем параметр сопоставляется с напряжением, часто с помощью полиномиальной или кусочно заданной аппроксимации либо табличной расчетной кривой. Метод предполагает, что сочетания температуры и времени до разрушения, дающие одинаковое значение PLM, обеспечивают сопоставимое поведение при разрушении для заданного напряжения. Это удобное допущение, а не закон металлургии. Константа C не является универсальной для «стали»; она изменяется в зависимости от сплава, термической обработки, диапазона напряжений, процедуры аппроксимации и иногда выбранного температурного интервала. Кривая, аппроксимированная с одним значением C, может выглядеть упорядоченной, тогда как другое значение даст существенно иной прогноз для длительного времени. Поэтому калибровка должна быть указана явно. National Institute for Materials Science (NIMS) публикует систематически собранные данные по ползучести и разрушению для углеродистых, низколегированных, высокохромистых и аустенитных жаропрочных сталей. Набор данных NIMS за 2024 год для Grade 91 охватывает трубы, листы и трубопроводы из стали 9Cr-1Mo-V-Nb при температурах от 450 до 725 °C и напряжениях от 30 до 450 МПа; при этом приведена длительная прочность при разрушении для 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Эти значения продолжительности особенно важны: аппроксимированное значение для 100 000 часов не эквивалентно фактическому наблюдению в течение 100 000 часов. Если точка для 100 000 часов существует для соответствующей формы изделия, температуры, напряжения и термической обработки, она служит опорой для экстраполяции. Если такой точки нет, прогноз остается зависимым от модели. Параметр Мэнсона—Хэферда **Параметр Мэнсона—Хэферда** Эмпирический параметр, использующий подобранные реперные значения температуры и времени для систематизации данных о сроке до разрушения при различных температурах. Аппроксимация по Larson–Miller также обычно легче объединяет данные для разных температур, чем выявляет изменения механизма. При меньшей продолжительности испытаний может доминировать движение дислокаций; при большей — укрупнение выделений, межзеренное кавитационное повреждение, окисление или возврат могут определять срок службы. Пример Grade 91 наглядно показывает эту проблему. Ее отпущенная мартенситная структура обеспечивает высокую прочность при ползучести благодаря мелким выделениям и стабильной субструктуре, однако термическое старение и эволюция выделений могут снижать это сопротивление. Одна плавная линия не может показать, когда происходит такое изменение. ### Параметрические методы Manson–Haferd Параметр Manson–Haferd обычно выражается следующим образом: PMH=T−Talog10⁢tr−log10⁢taСравнение распространённых подходов к долгосрочному прогнозированию ползучести и разрушения. | Метод прогнозирования | Основная систематизируемая или прогнозируемая величина | Основное ограничение | |---|---|---| | Метод Ларсона—Миллера | Температура, время и поведение при разрушении | Может скрывать изменения механизма деформации или разрушения. | | Метод Мэнсона—Хэферда | Температура и время до разрушения через подобранные реперные значения | Константы зависят от набора данных и формы регрессионной зависимости. | | Метод Уилшира в сочетании с механикой повреждения сплошной среды | Деформация ползучести, минимальная скорость ползучести, повреждение и срок до разрушения при заданном напряжении | Требует калибровки и валидации для соответствующего состояния материала и диапазона эксплуатации. | где Ta и ta — аппроксимируемые константы, связанные с кажущимся пересечением тенденций изменения срока службы до разрушения. В отличие от метода Larson–Miller, этот метод не задает фиксированную аддитивную константу внутри выражения T⁢(C+log⁢t). Аппроксимируемые опорные температура и время выбираются таким образом, чтобы данные для разных температур сводились к полезной зависимости между напряжением и параметром. Аппроксимация по Manson–Haferd может давать лучшие результаты, чем аппроксимация по Larson–Miller, для некоторых наборов данных, особенно когда температурная зависимость плохо описывается фиксированным значением C. Однако и этот метод предполагает, что та же зависимость сохраняется за пределами измеренного диапазона. Кажущееся пересечение, задаваемое Ta и ta, является статистической конструкцией и не обязательно представляет собой физическую точку в поведении сплава. Изменение набора выбранных испытаний, диапазона напряжений или формы регрессии может сместить эти константы и изменить прогнозируемый срок службы. Ни один из параметрических методов не прогнозирует непосредственно всю кривую ползучести. В основном они систематизируют время до разрушения, обычно tr, при заданных напряжении и температуре. Для проектной оценки также необходимы допустимое напряжение, накопленное повреждение, ограничения по деформации и, если это применимо, взаимодействие ползучести и усталости. NIST указывает данные о разрушении от ползучести как один из основных классов информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенной температуре. В исследовании на основе механики сплошных сред с учетом повреждаемости и подхода Wilshire, о котором в 2022 году сообщило Управление научно-технической информации Министерства энергетики США, для стали P91 применен более широкий подход: уравнения Wilshire объединены с механикой повреждаемости сплошной среды для прогнозирования деформации при ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждения и срока службы до разрушения под напряжением. Такой подход позволяет оценивать величины, которые не может предоставить параметрический метод, основанный только на разрушении, однако он по-прежнему зависит от калибровочных данных и допущений о состоянии материала. ### Неопределенность модели и металлургические переходы Плавная аппроксимированная линия может скрывать значительную неопределенность. Логарифмическое представление сжимает различия во времени, а регрессия может придавать рассеянным результатам упорядоченный вид. Линия может проходить через центр набора данных, но не отражать поведение нижней границы, необходимое для оборудования, работающего под давлением, или ядерных компонентов. Разброс обусловлен не только погрешностью измерений, но и различиями химического состава от плавки к плавке, предшествующей обработкой, размером образца, состоянием поверхности, окислением, историей сварки и соответствием условий испытаний. Основная опасность — металлургический переход: изменение процесса, контролирующего скорость деформации или разрушения, которое делает аппроксимированную зависимость неприменимой. К таким явлениям относятся реакции карбидов, укрупнение выделений, разрушение мартенситной реечной структуры, межзеренное кавитационное повреждение, фазовое превращение, циклическое разупрочнение или воздействие окружающей среды. В работе K. Natesan для IAEA по Grade 91 циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменение микроструктуры определены как существенные факторы при проектировании с учетом взаимодействия ползучести и усталости. Длительная экстраполяция, игнорирующая эти факторы, может выглядеть точной, но быть ошибочной с точки зрения механизма. Нормы проектирования устанавливают ограничения, учитывающие эту неопределенность. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчетные свойства материалов, а ASME Section III, Division 5 устанавливает правила конструирования высокотемпературных компонентов реакторов. Directive 2014/68/EU требует учитывать свойства, связанные с ползучестью, и предписанные ограничения в тех случаях, когда ползучесть имеет существенное значение при проектировании оборудования, работающего под давлением. Эти нормы не следует заменять безоговорочной параметрической аппроксимацией. Результаты методов Larson–Miller или Manson–Haferd являются основанием для проектного решения, а не непосредственными наблюдениями для 100 000 часов, если такие испытания фактически не были завершены. ## Механика повреждений и современные методы прогнозирования разрушения Ползучесть и разрушение под напряжением описывают связанные, но различные явления. Ползучесть — это зависящая от времени деформация при длительном воздействии напряжения и температуры; термин «разрушение под напряжением» акцентирует внимание на времени, прошедшем до разрушения. Надежный метод прогнозирования должен связывать эти явления, а не рассматривать долговечность до разрушения как изолированную величину. Стандарт ASTM E139-11(2018) устанавливает методику испытаний для измерения деформации во времени при испытаниях на ползучесть, а также времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность при ползучести и на разрушение под напряжением металлических материалов, находящихся под постоянной растягивающей нагрузкой и при постоянной температуре. ### Переменные континуальной механики повреждений Континуальная механика повреждений описывает распределенное ухудшение микроструктуры с помощью одной или нескольких внутренних переменных. Распространенная скалярная переменная D изменяется от нуля для исходно неповрежденного материала и приближается к единице при разрушении. Она не является прямым измерением количества пор или трещин. Вместо этого это расчетная переменная состояния, которая может отражать уменьшение эффективной площади, воспринимающей нагрузку, жесткости или сопротивления ползучести. Концепция эффективного напряжения иллюстрирует такой подход. Если номинальное напряжение равно σ, поврежденному участку можно сопоставить эффективное напряжение, например, σeff=σ1−D.По мере увеличения D оставшийся материал воспринимает большее напряжение, что ускоряет деформацию ползучести и накопление повреждений. Поэтому модель может связывать закон деформирования \\\[ \\dot{\\varepsilon}\_c=f(\\sigma\_\\mathrm{eff},T,\\text{микроструктура}), \\\] с законом эволюции поврежденности \\\[ \\dot{D}=g(\\sigma\_\\mathrm{eff},T,\\dot{\\varepsilon}\_c,\\text{переменные состояния}). \\\] Конкретные уравнения различаются. В одних формулировках поврежденность связывают с ростом пор на границах зерен; в других используют накопленную деформацию ползучести, трехосность напряженного состояния или феноменологический закон изменения скорости. Скалярная переменная также может скрывать важные различия между изолированными порами, связанными между собой порами, транскристаллитным растрескиванием и разрушением, ускоренным окислением. Это ограничение имеет значение, когда компонент подвергается многоосному напряжению, воздействию околошовных зон сварки или циклическому нагружению. Физическая интерпретация должна оставаться связанной с конкретным материалом. В ферритной стали Grade 91 раннюю реакцию на ползучесть определяют отпущенный мартенсит, границы бывших аустенитных зерен и выделения, такие как карбиды M23C6 и карбонитриды MX. Термическое воздействие может привести к укрупнению или перераспределению выделений, снижению прочности субзерен и развитию процессов возврата. В работе K. Natesan для IAEA по проектированию с учетом взаимодействия ползучести и усталости стали Grade 91 циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменение микроструктуры определены как значимые переменные. Параметр поврежденности, откалиброванный на стабильном лабораторном материале, нельзя напрямую переносить на состаренный сварной шов или компонент, подвергавшийся паровому окислению. ### Прогнозирование для P91 на основе метода Wilshire Исследование 2022 года, зарегистрированное Управлением научной и технической информации Министерства энергетики США, представляет полезный пример: в нем уравнения Wilshire объединены с континуальной механикой повреждений для прогнозирования деформации ползучести, минимальной скорости ползучести, поврежденности и долговечности до разрушения под напряжением для стали P91. В связанной записи до публикации должны быть указаны имена авторов исследования; их не следует восстанавливать по вторичным ссылкам. Соотношения типа Wilshire часто выражают через нормированное напряжение и температурный член активации. В упрощенной форме параметр может связывать нормированное напряжение со временем до разрушения или минимальной скоростью ползучести посредством экспоненциальной функции, зависящей от температуры. В отличие от единственной линейной аппроксимации на графике Larson–Miller, подход Wilshire стремится сохранить связь между напряжением относительно шкалы прочности материала и термически активируемыми процессами, управляющими деформированием. Компонент, основанный на континуальной механике повреждений, затем позволяет учитывать изменяющееся состояние материала вместо предположения, что образец остается неизменным до внезапного окончательного разрушения. Это различие важно для P91. Сталь может демонстрировать длительный период умеренной деформации, за которым следует ускоренное деформирование по мере развития возврата, эволюции выделений, образования пор и локальной концентрации напряжений. Модель, прогнозирующая только конечное время до разрушения, может совпасть с данными испытательной таблицы, но не отразить историю деформации, минимальную скорость ползучести или начало третичной ползучести. Объединенный подход, напротив, стремится обеспечить согласованность между четырьмя наблюдаемыми характеристиками: кривой ползучести, минимальной скоростью ползучести, ростом переменной поврежденности и конечным временем до разрушения. Имеющаяся база данных NIMS по стали Grade 91 создает требовательные условия для калибровки. Ее записи по стали 9Cr-1Mo-V-Nb охватывают диапазон температур от 450 до 725 °C и напряжений от 30 до 450 МПа; при этом длительная прочность при ползучести приведена для 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. NIMS также поддерживает систематически собранные данные по углеродистым, низколегированным, высокохромистым и аустенитным жаропрочным сталям. Эти записи не являются взаимозаменяемыми: аппроксимацию для P91 не следует представлять как общий закон для всех высокохромистых сталей и тем более для литых заготовок ASTM A1091/A1091M Grade C91. В литье Grade C91 используется отпущенная мартенситная или бейнитная структура, стабилизированная выделившимися частицами, однако особенности литья, ликвация и размер сечения могут изменять развитие повреждений. ### Связь минимальной скорости ползучести, поврежденности и долговечности до разрушения Минимальную скорость ползучести часто рассматривают как удобную корреляционную переменную, поскольку ее сравнительно легко определить по кривой ползучести. Она представляет собой нечто большее, но не является полной характеристикой поврежденности. Повышение минимальной скорости ползучести может указывать на ослабление вследствие возврата или деградации выделений, однако два образца с близкими минимальными скоростями впоследствии могут разрушиться по разным механизмам. В одном могут развиваться поры на границах зерен, тогда как другой может подвергаться окислению, локализованному в сварном соединении растрескиванию или изменению механизма деформирования. В связанной модели минимальная скорость ползучести используется как наблюдаемая характеристика, связанная с внутренним состоянием материала. При первичной ползучести скорость обычно уменьшается по мере упрочнения материала. При вторичной ползучести она достигает низкого или почти стабильного значения. При третичной ползучести повреждения и локализация приводят к росту скорости. Если определяющие соотношения и законы поврежденности воспроизводят эти стадии, интегрирование уравнений может дать прогнозируемое время до разрушения, а не просто аппроксимацию времени до разрушения постфактум. Однако такой прогноз по-прежнему зависит от доказательной базы. NIST относит данные о длительной прочности при ползучести к основным видам информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенной температуре, тогда как главы ASM International, посвященные *Разрушениям вследствие ползучести и разрушения под напряжением* и *Проектированию для высокотемпературных применений*, подчеркивают значение механизмов деформирования, разрушения, воздействия окружающей среды, металлургической нестабильности, старения, реакций карбидов и взаимодействия ползучести и усталости. NUREG/CR-6150 показывает, как параметры Larson–Miller и Manson–Haferd могут применяться для моделирования повреждений, однако параметрические кривые остаются эмпирическими обобщениями, если их допущения не проверены для изменяющихся микроструктур и историй нагружения. Достоверность модели определяется качеством данных для калибровки, диапазоном валидации, учетом неопределенности и тем, насколько адекватно в ней представлена эксплуатационная микроструктура. Экстраполяция с испытаний продолжительностью 10 000 часов на 100 000 часов не является автоматически обоснованной; то же относится к экстраполяции от постоянных температуры и напряжения к циклу изменения давления. Раздел II, часть D, ASME BPVC содержит расчетные свойства материалов, а раздел III, подраздел 5, устанавливает правила конструирования высокотемпературных компонентов реакторов. Директива Европейского союза 2014/68/EU также требует учитывать свойства, связанные с ползучестью, и установленные предельные значения, когда ползучесть определяет проектирование оборудования, работающего под давлением. Эти правила не превращают подобранное уравнение в закон поведения материала. Они устанавливают границы, в пределах которых данные испытаний, допущения о поврежденности, коэффициенты безопасности и стратегия инспекционного контроля должны оставаться обоснованными. ## Взаимодействие ползучести и усталости и термическое циклирование Компонент редко подвергается постоянному растягивающему усилию и постоянной температуре, которые предполагаются при обычном испытании на ползучесть. Паропроводы нагреваются от температуры окружающей среды, выдерживаются при рабочей температуре, испытывают изменения давления, а затем снова охлаждаются. Компоненты реакторов могут подвергаться повышению и снижению мощности, остановам, перерывам на перегрузку топлива и локальным термическим ударам. Каждое такое событие изменяет как напряжение, так и скорость деформации. Поэтому кривая ползучести при постоянной нагрузке предоставляет необходимые данные, но сама по себе не позволяет прогнозировать ресурс при пусках, остановах, изменениях нагрузки или термическом циклировании. ASTM International в стандарте ASTM E139-11(2018) определяет методы измерения деформации как функции времени при испытаниях на ползучесть, а также времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность и длительное разрушение при постоянных растягивающем усилии и температуре. Это контролируемое условие полезно именно потому, что позволяет выделить реакцию материала. Оно не описывает всю совокупность эксплуатационных воздействий. Данные NIMS косвенно подтверждают тот же вывод: набор данных для стали Grade 91 охватывает температуры от 450 до 725 °C и напряжения от 30 до 450 MPa, при этом длительная прочность при разрушении приведена для 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Интерполяция между этими точками не может заменить оценку переходной деформации, температурных градиентов, продолжительности выдержек и числа циклов. ### Время выдержки и циклическое разупрочнение Термический цикл обычно сочетает реверс деформации, вызывающий усталость, с выдержкой, способствующей ползучести. При нагреве стеснённое расширение может создавать сжимающее напряжение; при охлаждении то же ограничение может приводить к возникновению растягивающего напряжения. Если после переходного процесса температура остаётся высокой, напряжение релаксирует за счёт ползучести. Поэтому петля гистерезиса не является неизменной от цикла к циклу. Сталь Grade 91, также обозначаемая как P91 или 9Cr-1Mo-V-Nb в соответствующих контекстах, связанных с продукцией и конструкцией, обычно демонстрирует циклическое разупрочнение в условиях управления деформацией. Её исходная прочность отпущенной мартенситной структуры снижается по мере того, как повторяющаяся пластическая деформация перестраивает дислокации и изменяет реечную структуру. Разупрочнённый материал достигает заданного диапазона деформации при меньшем напряжении, однако это не означает исчезновения повреждений. Релаксация напряжения во время выдержки может увеличивать накопленную неупругую деформацию, тогда как кавитация на границах бывших аустенитных зёрен, а также на границах реек или пакетов, может продолжаться в течение внешне спокойной части цикла. Время выдержки оказывает два противоположно направленных воздействия. Оно может уменьшать амплитуду растягивающего напряжения за счёт релаксации, снижая чисто усталостную составляющую. Одновременно оно позволяет развиваться деформации ползучести, окислению, диффузии и росту пор. Растягивающая выдержка часто оказывается более повреждающей, чем сжимающая, поскольку при растяжении облегчаются раскрытие пор на границах зёрен и окислительно-обусловленное растрескивание. Эффект зависит от температуры, диапазона деформации, атмосферы, состояния поверхности и предшествующего цикла; универсальный пересчёт в формате «количество часов на цикл» не имеет достаточного обоснования. Таким образом, взаимодействие ползучести и усталости не доказывается сложением независимо измеренного ресурса при усталости и независимо измеренного ресурса до разрушения от ползучести. Линейная сумма повреждений, например сумма усталостной и ползучестной долей, может применяться только в том случае, если диапазон её калибровки, определение цикла, учёт выдержки и критерий разрушения прошли валидацию для данного материала и конкретной истории эксплуатации. В противном случае такая сумма может скрывать члены взаимодействия. Усталостное растрескивание может открывать свежий металл для окисления, тогда как ползучесть — в зависимости от напряжённого состояния и температуры — способна затуплять, заострять или разветвлять трещину. Материал IAEA, связанный с K. Natesan, выделяет циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменение микроструктуры как конкретные расчётные факторы для Grade 91. Эти факторы взаимосвязаны, а не представляют собой независимые поправочные блоки. Продолжительная выдержка может изменить микроструктуру, которая определяет поведение при следующем быстром реверсе деформации. ### Зависимость от скорости деформации и переходные тепловые процессы Пластическая реакция и реакция при ползучести в значительной степени зависят от скорости приложения деформации. При высокой скорости деформации значительную часть деформации переносят дислокации, прежде чем диффузионно-контролируемая ползучесть сможет её компенсировать. При низкой скорости ползучесть вносит вклад уже во время самого нагружения. Поэтому один и тот же общий диапазон деформации может приводить к различным максимальным напряжениям, неупругим деформациям и скоростям роста трещин. Переходные тепловые процессы добавляют ещё одну сложность: температура редко бывает однородной по толщине стенки. Горячая внутренняя поверхность и более холодная наружная поверхность создают несовместимость температурных деформаций по толщине, тогда как сварные соединения, изгибы, присоединённые элементы и толстостенные участки формируют локальное стеснение. Изменение температуры, кажущееся умеренным в объёме материала, может создавать тяжёлый локальный цикл. Быстрый нагрев может привести к сжатию поверхности и растяжению внутренних слоёв; быстрое охлаждение может изменить это соотношение на противоположное. Затем перераспределение напряжений происходит за счёт пластичности и ползучести, поэтому оценка упругих термических напряжений может стать вводящей в заблуждение во время продолжительной выдержки. Температура также изменяет структуру материала. Восстановление реечной структуры отпущенного мартенсита, укрупнение или растворение карбонитридов MX, изменение карбидов M23C6 и образование интерметаллических фаз могут снижать прочность при ползучести или изменять пластичность. Термическое старение способно изменить реакцию материала даже при неизменном приложенном напряжении. Зоны термического влияния сварных соединений могут стареть иначе, чем основной металл, создавая локальную концентрацию деформации и способствуя преждевременному растрескиванию. Окружающая среда участвует в механизме повреждения. Окисление в паре может разрушать защитные плёнки, обогащённые хромом, и формировать оксидные слои, которые растрескиваются или отслаиваются при циклическом нагружении. Окисление на воздухе, примеси, а также среды с теплоносителями, содержащими натрий или свинец, могут изменять зарождение и распространение трещин. Оксид на поверхности не является лишь косметическим слоем, если компонент подвергается многократной деформации. Поэтому модель должна отслеживать температурную историю, историю напряжений или деформаций, скорость неупругой деформации, продолжительность выдержки и развитие внутренних повреждений. Исследование на основе подхода Wilshire к механике повреждения сплошной среды, о котором в 2022 году сообщалось через Office of Scientific and Technical Information Министерства энергетики США, объединяет уравнения Wilshire с механикой повреждения сплошной среды для прогнозирования деформации при ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждений и ресурса до разрушения от напряжения для P91. Его ценность имеет методологический характер: деформация и разрушение рассматриваются как взаимосвязанные развивающиеся состояния, а не как одно изолированное значение времени до разрушения. Перед публикацией имена авторов следует проверить по связанной записи, а не выводить предположительно. ### Особенности проектирования изделий из Grade 91 Сталь Grade 91 получает высокую жаропрочность благодаря отпущенной мартенситной микроструктуре, стабилизированной хромом, молибденом, ванадием, ниобием, азотом и контролируемыми добавками углерода. Эта структура чувствительна к термической обработке, сварке, деформации при изготовлении и эксплуатационному воздействию. Небольшие отклонения при нормализации и отпуске могут приводить к значительным различиям в характеристиках ползучести. Наиболее слабой областью может оказаться металл сварного шва, мелкозернистая зона термического влияния или межкритическая зона термического влияния, а не основной лист или труба. Проектировщики также должны различать обозначение материала и допустимые правила изготовления. ASTM A1091/A1091M распространяется на отливки из легированной ферритной стали Grade C91 с повышенной стойкостью к ползучести, предназначенные для деталей, работающих под давлением; её отпущенная мартенситная или бейнитная структура упрочняется и стабилизируется выделившимися частицами. Это обозначение автоматически не устанавливает поведение каждой трубы, листа, трубопровода, сварного соединения или отливки из Grade 91 при циклической эксплуатации. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчётные свойства материалов, тогда как ASME BPVC Section III, Division 5 устанавливает правила изготовления высокотемпературных компонентов реакторов. Директива Европейского союза 2014/68/EU требует учитывать свойства, связанные с ползучестью, и установленные предельные значения в тех случаях, когда ползучесть имеет существенное значение при проектировании оборудования, работающего под давлением. Документ NUREG/CR-6150, выпущенный U.S. Nuclear Regulatory Commission в 1994 году, описывает модели повреждения вследствие длительной прочности с использованием параметров Larson-Miller и Manson-Haferd для таких материалов, как углеродистая и нержавеющая сталь. Такие параметры обобщают данные длительных испытаний; они не устраняют необходимость оценки переходной деформации и взаимодействия механизмов повреждения. Для Grade 91 обоснованная оценка должна учитывать термическое циклирование, циклическое разупрочнение, расположение сварного соединения, скорость деформации, старение, окружающую среду и выбранное правило оценки разрушения. Кривая разрушения — это свидетельство. Она не является ресурсом компонента. ## Механизмы разрушения и исследование отказов Разрушение вследствие ползучести не имеет какого-либо единственного внешнего вида или механизма. Компонент может разрушиться после длительного периода медленного накопления деформации, после более короткого воздействия, вызывающего разрушение при длительной прочности, либо вследствие взаимодействия ползучести и усталости при повторяющихся термических и механических циклах. Поверхность излома фиксирует конечную стадию, однако окружающая микроструктура часто сохраняет свидетельства более ранних повреждений. Поэтому в рассмотрении разрушений вследствие ползучести и при испытаниях на длительную прочность ASM International учитывает механизмы деформации, зависимость от напряжения и температуры, морфологию излома, воздействие окружающей среды, металлургическую нестабильность, старение, реакции карбидов и накопление повреждений, а не относит разрушение исключительно к «высокой температуре». ASTM E139-11(2018) разделяет соответствующие измерения: испытание на ползучесть отслеживает деформацию как функцию времени при постоянных растягивающем усилии и температуре, тогда как испытания на разрушение при ползучести и на длительную прочность ориентированы на определение времени до разрушения при заданных условиях. Это различие имеет значение при исследовании разрушения. Сам по себе факт разрушения образца через 10 000 часов не показывает, была ли его минимальная скорость ползучести необычно высокой, произошло ли позднее ускорение деформации или локальный дефект определил момент разрушения. ### Транскристаллитное и межкристаллитное разрушение Транскристаллитное разрушение проходит через зерна. При повышенной температуре оно может быть обусловлено пластическим течением, сконцентрированным внутри зерен, растрескиванием карбидов, растрескиванием при содействии оксидов либо повторяющимися термическими и механическими циклами. На изломе могут наблюдаться ямки от коалесценции микропустот, фасетки, напоминающие скол, или смешанная морфология. Транскристаллитная поверхность не является доказательством перегрузки: в компоненте, повреждённом вследствие ползучести, перед быстрым распространением конечной трещины может накопиться значительная внутризеренная деформация. Межкристаллитное разрушение следует по границам зёрен и тесно связано со скольжением по границам зёрен, диффузией вакансий, ослаблением границ и образованием полостей. При длительно действующем напряжении границы, перпендикулярные или наклонные к главному направлению растяжения, могут воспринимать локальную деформацию. Если частицы на границах, сегрегировавшие примеси, окисление или уменьшение количества выделений снижают когезионную прочность, мелкие полости образуются легче. Эти полости увеличиваются, соединяются вдоль границы и формируют траекторию трещины, которая может проходить через множество зёрен. Это различие полезно, но не является абсолютным. Трещина может зародиться на границе зерна, пересечь зерно и вновь выйти к другой границе. Зоны термического влияния сварных соединений, литая структура, включения и области, изменённые в процессе эксплуатации, часто формируют смешанный транскристаллитно-межкристаллитный излом. Ферритная сталь Grade 91, или P91, создаёт дополнительное осложнение: её отпущенная мартенситная структура зависит от тонкого распределения выделений, обеспечивающего прочность при ползучести, однако термическое старение и неблагоприятная эволюция выделений могут снизить сопротивление повреждению границ. База данных NIMS за 2024 год по Grade 91 охватывает трубы, листы и трубопроводы из стали 9Cr-1Mo-V-Nb при температурах от 450 до 725 °C и напряжениях от 30 до 450 MPa; прочность при разрушении приведена для 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Интерпретация излома в таких данных должна быть связана с соответствующими температурой, напряжением, видом изделия и термической обработкой, а не только с названием марки стали. ![Tempered-martensitic Grade 91 steel with laths and strengthening precipitates](/images/uploads/4145bfa8-db74-453d-b3ca-855c4995af95/wiki-inline-a-realistic-metallographic-micrograph-style-view-of-tempered-martensite-in-grade-1920x1920.jpg)[](/images/uploads/4145bfa8-db74-453d-b3ca-855c4995af95/wiki-inline-a-realistic-metallographic-micrograph-style-view-of-tempered-martensite-in-grade-1920x1920.avif "Увеличить изображение — Tempered-martensitic Grade 91 steel with laths and strengthening precipitates") ### Полости, образование шейки и зарождение трещины Полости, возникающие при ползучести, обычно сначала имеют микроскопические размеры. Диффузия и скольжение по границам зёрен перемещают вакансии к напряжённым границам, тогда как включения и границы выделений служат благоприятными местами зарождения. При продолжении воздействия соседние полости растут и объединяются. Оставшаяся перемычка воспринимает большую нагрузку, что создаёт локальную концентрацию деформации. Эта положительная обратная связь приводит к образованию повреждённой полосы, макроскопической трещины и, в конечном итоге, к потере сечения. Та же последовательность событий может происходить у носка сварного шва, под поверхностным оксидом, рядом с включением или в зоне геометрического перехода с высоким трёхосным напряжённым состоянием. Образованию конечного излома может предшествовать локальное образование шейки, хотя распределённая деформация ползучести может создавать впечатление лишь умеренной деформации компонента. В тонкостенных сечениях окисление или коррозия удаляют металл, несущий нагрузку, и повышают истинное напряжение в оставшемся сечении. В результате номинально допустимое рабочее напряжение может превратиться в локально повреждающее напряжение. На поверхности излома могут наблюдаться ямки, фасетки по границам зёрен, продукты окисления или узкая зона конечного перегрузочного разрушения. Ни один из этих признаков сам по себе не является достаточным. Исследователь должен определить плотность и размер полостей на удалении от излома, измерить толщину стенки и установить, ориентированы ли повреждения вдоль направления главного напряжения. Концентрация полостей возле сварного шва или вдоль границ бывших аустенитных зёрен указывает на иную историю повреждения по сравнению с равномерным пластическим утонением. История нагружения имеет не меньшее значение. Для Grade 91 характерны циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменения микроструктуры — факторы, выделенные K. Natesan в работе IAEA по проектированию с учётом взаимодействия ползучести и усталости. Поэтому модель ползучести при постоянной нагрузке может неправильно описывать компонент, подвергающийся пускам, остановам, вибрации или воздействию температурных градиентов. Исследование механики сплошных сред с повреждениями на основе подхода Wilshire, опубликованное в 2022 году, объединяет уравнения Wilshire с механикой повреждений для прогнозирования деформации ползучести P91, минимальной скорости ползучести, повреждений и ресурса до разрушения при длительной прочности. Такие модели информативнее, чем определение механизма разрушения по последним нескольким миллиметрам поверхности излома. ### Металлографические свидетельства после воздействия в процессе эксплуатации Надёжное исследование начинается с документации: марки металла и термической обработки, рабочей температуры, давления, нагрузки, переходных режимов, периодов выдержки и любых нештатных условий. Необходимо подтвердить фактическую температуру металла, а не только показания системы управления. Следует определить, изменялось ли напряжение из-за скачков давления, термического ограничения, утонения или деформации. Затем нужно установить положение излома относительно сварных швов, изгибов, присоединённых элементов, опор, коррозионных повреждений и изоляции. Сначала исследуют излом маломощными методами, сохраняя отложения и избегая очистки, которая может удалить свидетельства окисления или коррозии. Затем следует подготовить поперечные шлифы через очаг разрушения и через материал, кажущийся неповреждённым. Оптическая микроскопия и сканирующая электронная микроскопия позволяют выявить полости, разделение по границам зёрен, проникновение оксидов, включения, образование шейки и механизм разрушения. Картирование твёрдости, измерения размеров и химический анализ помогают выявить отпуск, перегрев, обезуглероживание или загрязнение. Для Grade 91 необходимо охарактеризовать структуру бывших аустенитных зёрен, состояние мартенситных реек, карбиды M23C6 и выделения MX; чрезмерный отпуск, укрупнение или потеря стабильности выделений могут объяснять снижение прочности при ползучести. Наблюдаемые повреждения следует сопоставить с аттестованными данными по ползучести и разрушению. NIMS предоставляет систематически собранные данные по углеродистым, низколегированным, высокохромистым и аустенитным жаропрочным сталям, а NIST относит данные о разрушении при ползучести к основным видам информации для оценки металлов при повышенной температуре. Корреляции Larson-Miller или Manson-Haferd, рассмотренные для углеродистых и нержавеющих сталей в документе U.S. NRC NUREG/CR-6150 (1994), могут использоваться для оценки ресурса, но не должны заменять свидетельства, относящиеся к конкретному материалу. Важны также проектные нормы: ASME BPVC Section II, Part D содержит расчётные свойства материалов, а Section III, Division 5 регулирует конструирование высокотемпературных реакторов; Directive 2014/68/EU требует учитывать свойства при ползучести и установленные предельные значения там, где ползучесть имеет существенное значение. Внешний вид излома служит началом исследования. Но не его завершением. ## Воздействие окружающей среды при высокой температуре Сопротивление ползучести не является изолированным свойством материала, когда сталь работает в паре, продуктах сгорания, теплоносителях реакторов или в условиях воздействия коррозионных отложений. Образец, испытанный на чистом лабораторном воздухе, может сохранять полированную поверхность и полную площадь поперечного сечения, тогда как компонент в эксплуатации может терять металл, покрываться трещинами в окалине, поглощать водород или подвергаться воздействию локальной химической среды, изменяющей как деформацию, так и разрушение. Поэтому измеренные скорость ползучести и долговечность до разрушения описывают лишь часть инженерной задачи. ### Окисление и потеря сечения При высокой температуре сталь реагирует с кислородом и водяным паром с образованием оксидных слоёв. В зависимости от состава сплава и температуры они могут включать оксиды железа, оксиды, обогащённые хромом, или более защитные смешанные оксидные плёнки. Оксидный слой не является просто пассивным покрытием. Он может растрескиваться при термическом циклировании, отслаиваться под воздействием вибрации и обнажать свежий металл. Повторяющиеся окисление и отслаивание уменьшают толщину стенок труб, трубопроводов, коллекторов и сосудов давления. Такое изменение геометрии увеличивает фактическое напряжение, воспринимаемое оставшимся металлом. Поэтому номинальное напряжение, рассчитанное по исходной толщине стенки, может занижать напряжение на поздних этапах эксплуатации. Локальная потеря металла опаснее равномерного утонения, поскольку язвы, канавки и участки разрушения окалины концентрируют напряжения и создают места для формирования пор ползучести или усталостных трещин. Даже умеренная средняя потеря сечения может привести к значительно большему снижению локальной долговечности до разрушения. Окисление также изменяет поверхность, от которой начинают развиваться трещины. Дефекты, выходящие на поверхность, могут формироваться на границах раздела оксид–металл, на границах зёрен, обнажённых при отслаивании окалины, или под отложениями, создающими дифференциальную аэрацию. Различия в тепловом расширении стали и оксида создают дополнительные напряжения при пусках и остановах. В ферритных сталях обеднение хромом вблизи окисленной поверхности может снижать сопротивление последующей коррозии и изменять локальную микроструктуру. В аустенитных жаропрочных сталях рост оксидного слоя, а также науглероживание или обезуглероживание могут изменять механическую реакцию приповерхностного слоя. Различие между деформацией и разрушением сохраняет важное значение. ASTM E139-11(2018), опубликованный ASTM International, устанавливает методы измерения деформации как функции времени при испытаниях на ползучесть, а также времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность и длительное разрушение при постоянных растягивающей нагрузке и температуре. Такое испытание позволяет определить минимальную скорость ползучести или долговечность материала до разрушения, но автоматически не учитывает потерю толщины стенки и повреждение окалины, возникающие за годы эксплуатации оборудования. Именно поэтому глава ASM Handbook, посвящённая *Проектированию для применения при высоких температурах*, рассматривает воздействие окружающей среды наряду с напряжением, температурой, металлургической нестабильностью и механизмами повреждения. Расчёт, в котором лабораторная кривая разрушения применяется к исходному сечению без оценки окисления или потери металла, может оказаться неоправданно оптимистичным. ### Повреждение, обусловленное коррозией Коррозия может ускорять разрушение при высокой температуре посредством механизмов, отличных от обычного окисления. Паровое окисление, сульфидирование под воздействием серосодержащих газов сгорания, науглероживание, пылевидное разрушение металла, нитридирование и воздействие расплавленных солей могут изменять структуру поверхности и подповерхностного слоя. Определяющая реакция зависит от состава газа, температуры, скорости потока, давления, химического состава отложений и продолжительности воздействия. Сульфидирование особенно опасно там, где серосодержащие топлива или отложения приводят к образованию сульфидов железа или хрома. Эти продукты могут быть менее защитными, чем оксиды, обогащённые хромом, и способны расходовать легирующие элементы, необходимые для стабильности оксидного слоя. Расплавленные отложения, содержащие ванадий, натрий, калий или хлориды, могут растворять защитные оксиды и вызывать быстро развивающееся локальное разрушение. Поэтому в системах сгорания труба может одновременно подвергаться ползучести под действием внутреннего давления и внешней потере металла в среде со стороны топочных газов. Коррозионное растрескивание изменяет последовательность разрушения. Язва или межкристаллитная канавка повышает локальное напряжение, тогда как коррозионная среда ослабляет вершину трещины или удаляет материал с вновь обнажающихся поверхностей. При длительном нагружении это может привести к взаимодействию пор ползучести, окисления и роста трещины, а не к действию одного механизма. Водород, образующийся в результате коррозии, может проникать в сталь и снижать пластичность при восприимчивых условиях, хотя степень воздействия в значительной мере зависит от сплава, температуры, активности водорода и микроструктуры. Стабильность микроструктуры по-прежнему имеет значение. Сталь марки Grade 91, также обозначаемая как 9Cr-1Mo-V-Nb, обязана своей прочностью при ползучести отпущенной мартенситной структуре и стабильным выделениям. Термическое старение, циклическое разупрочнение, изменения выделений и воздействие окружающей среды могут действовать совместно. В таблице данных NIMS 2024 года по ползучести стали Grade 91 рассматриваются трубы, листы и трубные заготовки в диапазоне от 450 до 725 °C и от 30 до 450 MPa; прочность при разрушении приводится для 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Эти данные ценны, однако компонент из стали Grade 91, подвергающийся паровому окислению или воздействию коррозионных отложений, всё равно требует оценки потери толщины и повреждения поверхности. ### Интерпретация данных испытаний с учётом окружающей среды Лабораторные данные следует сопоставлять со средой, представленной в проекте. NIMS систематически собирает результаты испытаний на ползучесть и разрушение для углеродистых, низколегированных, высокохромистых и аустенитных жаропрочных сталей; NIST относит данные о длительной прочности к основным видам информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенной температуре. Ни одна из этих баз данных автоматически не выполняет поправку на воздействие окружающей среды. Поэтому рекомендации ASM по проектированию поддерживают один из двух обоснованных подходов: либо испытывать материал в химической среде, соответствующей условиям эксплуатации, либо использовать механические данные, полученные в чистой среде, совместно с отдельно обоснованной моделью окисления, коррозии, потери сечения и роста трещин. Испытания на воздействие среды могут требовать воспроизведения давления пара, состава газов сгорания, отложений, термического циклирования и состояния поверхности. Металлографическое исследование после испытания необходимо, если окружающая среда способна изменять зарождение разрушения. #### Что означает допустимое напряжение Допустимое напряжение, определённое нормативным документом, отражает выбранные данные о материале, температуру, продолжительность эксплуатации, расчётные предположения о конструкции, требования к изготовлению и допустимые деформации или механизмы повреждения. При длительной экстраполяции ограничение является существенным. Результат испытания на разрушение за 10 000 часов в лабораторном воздухе сам по себе не может подтвердить ресурс компонента в 100 000 часов во влажном паре или сульфидирующем газе. Исследование стали P91 с использованием подхода Wilshire и механики повреждения сплошной среды прогнозирует деформацию ползучести, минимальную скорость ползучести, повреждение и долговечность до разрушения при длительном нагружении, однако воздействие окружающей среды должно быть учтено, если оно вносит существенный вклад в разрушение. Методы Larson-Miller и Manson-Haferd, рассмотренные в NUREG/CR-6150, также описывают зависимости между температурой и временем; они не устраняют необходимость отдельной оценки коррозии и окисления. Проектные нормы отражают это различие. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчётные свойства материалов, тогда как ASME BPVC Section III, Division 5 регулирует конструирование высокотемпературных компонентов реакторов. Директива 2014/68/EU требует учитывать свойства, связанные с ползучестью, и устанавливает предписанные ограничения, если ползучесть существенно влияет на проектирование оборудования, работающего под давлением. Эти нормы не следует трактовать как разрешение игнорировать химический состав эксплуатационной среды. Воздействие окружающей среды должно учитываться в программе испытаний, модели повреждения либо в консервативном расчёте по результатам инспекции и оценке остаточного ресурса. ## Кодексы, нормативные требования и значение допустимого напряжения Допустимое напряжение при повышенной температуре — это не просто предел прочности стали при растяжении, поделённый на коэффициент запаса. Это определяемое кодексом расчётное значение, выведенное на основе выбранных данных о материале, температурных ограничений, допущений, связанных с конструкцией, требований к изготовлению, продолжительности эксплуатации и допустимых механизмов повреждения. В зависимости от условий определяющим может быть предел текучести при кратковременном воздействии, деформация ползучести за заданный период или разрушение при ползучести при установленном сроке службы. Это разные виды проверок. ASTM E139-11(2018) разделяет исходные измеряемые характеристики. Стандарт охватывает деформацию как функцию времени при испытаниях на ползучесть, а также время до разрушения при испытаниях на длительную прочность и на разрушение под напряжением для металлических материалов, находящихся под постоянной растягивающей нагрузкой и при постоянной температуре. Получаемые кривые являются доказательными данными, но не становятся автоматически расчётными пределами. NIST относит данные о длительной прочности к основным видам информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенной температуре, тогда как ASM Handbook рассматривает механизмы, затрудняющие экстраполяцию: диффузию, движение дислокаций, повреждение границ зёрен, воздействие окружающей среды, металлургическую нестабильность, старение, реакции карбидов и взаимодействие ползучести и усталости. Затем кодекс преобразует выбранные данные в правила. Он может устанавливать более низкое напряжение, чем следует из лабораторной кривой, поскольку при проектировании необходимо учитывать разброс данных, сварные соединения, формоизменение, контроль, допуски изготовления, переходные режимы работы и неопределённость долгосрочной экстраполяции. И наоборот, значение, установленное кодексом, не предсказывает точный остаточный ресурс конкретного сосуда, трубы, коллектора или элемента реактора. Соответствие требованиям подтверждает, что заданные проект и изготовление удовлетворяют применимым правилам; оно не заменяет оценку технического состояния, анализ истории эксплуатации или оценку ресурса конкретного элемента. ### Директива Европейского союза по оборудованию, работающему под давлением, 2014/68/EU Директива Европейского союза по оборудованию, работающему под давлением, 2014/68/EU устанавливает основные требования безопасности к оборудованию и сборочным единицам, работающим под давлением и размещаемым на европейском рынке. Её роль является нормативной. Она не служит единой базой данных по ползучести и не является универсальным уравнением для прогнозирования остаточного ресурса. Для оборудования, работающего в диапазоне температур и напряжений, где ползучесть имеет существенное значение, директива требует учитывать характеристики материалов, связанные с ползучестью, и установленные пределы. Приложение I рассматривает допустимые напряжения и требует соответствующих данных о материалах для ферритных и аустенитных сталей, включая учёт прочности при ползучести и, когда это необходимо, прочности при разрушении. Конструкция должна предотвращать недопустимую деформацию или разрушение в течение предполагаемого срока эксплуатации. Это положение имеет принципиальное значение: требование связано с расчётными условиями оборудования, сроком службы, материалами и последствиями отказа, а не с общим утверждением о том, что марка является «высокотемпературной сталью». Директива также связывает выбор материала с изготовлением и оценкой соответствия. Для детали, работающей под давлением, могут потребоваться надлежащая документация на материал, прослеживаемость, контроль сварки, записи о термической обработке и результаты контроля. Расчёт на ползучесть, выполненный с использованием предела текучести при комнатной температуре, не отвечает назначению этого требования. При высокой температуре проектировщику могут потребоваться пределы напряжений, основанные на скорости ползучести, длительной прочности или установленной доле этих характеристик, а также проверки местных напряжений и участков нарушения сплошности. NIMS демонстрирует масштаб исходной доказательной базы. В базе данных Creep Data Sheet за 2024 год систематически собраны данные по углеродистым, низколегированным, высокохромистым и аустенитным жаропрочным сталям. Набор данных для Grade 91 охватывает трубы, листы и трубные заготовки из стали 9Cr-1Mo-V-Nb в диапазоне температур от 450 до 725 °C и напряжений от 30 до 450 MPa; длительная прочность приводится для 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Эти интервалы показывают, почему одно значение «прочности при ползучести» вводит в заблуждение. Напряжение, при котором материал выдерживает 100 часов, может не соответствовать расчётному требованию на 100 000 часов. ### ASME BPVC Section II, Part D ASME BPVC Section II, Part D представляет собой прежде всего справочник свойств материалов и допустимых напряжений в рамках ASME Boiler and Pressure Vessel Code. В нём приводятся табличные расчётные напряжения, спецификации материалов, данные о зависимости напряжений от температуры, физические свойства и связанные с ними пределы для материалов, разрешённых в других разделах строительного кодекса. Сам по себе этот документ не определяет полную процедуру изготовления каждой границы давления. Табличное значение является результатом методики кодекса, а не прямым считыванием с одной испытательной кривой. В зависимости от температуры и материала определяющей основой могут быть предел текучести, предел прочности при растяжении, скорость ползучести или зависящая от времени прочность при разрушении. Применимый строительный раздел определяет порядок использования этого значения, включая правила для геометрии, соединений, сварных швов, контроля, испытаний давлением и изготовления. Поэтому инженеры должны точно сопоставлять спецификацию материала и вид изделия. Лист, труба, трубная заготовка, поковка, отливка и наплавленный металл могут иметь разные допустимые значения, даже если их номинальный химический состав соответствует одной и той же марке. Grade 91 показывает, почему состояние изделия имеет значение. Её отпущенная мартенситная микроструктура зависит от контролируемой нормализации и отпуска, тогда как карбонитриды ванадия и ниобия и другие выделения способствуют сопротивлению деформации при ползучести. Термическое старение, неправильная термическая обработка, сварка и длительная эксплуатация могут изменить эту структуру. Табличное напряжение из ASME BPVC Section II, Part D не подтверждает, что находящийся в эксплуатации элемент из Grade 91 сохранил исходную микроструктуру или первоначальный остаточный ресурс. Долгосрочные данные также требуют метода экстраполяции. NUREG/CR-6150, опубликованный U.S. Nuclear Regulatory Commission в 1994 году, описывает моделирование повреждения вследствие разрушения при ползучести с использованием параметров Larson–Miller и Manson–Haferd для таких материалов, как углеродистая и нержавеющая сталь. Эти параметры позволяют систематизировать данные испытаний по напряжению, температуре и времени до разрушения, но они остаются моделями с определённым диапазоном применимости. Исследование стали P91, опубликованное в 2022 году и основанное на подходе Wilshire, идёт дальше, объединяя уравнения Wilshire с механикой повреждений для прогнозирования деформации при ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждения и ресурса до разрушения под напряжением. Такая модель поддерживает оценку, но не превращает разреженные данные в достоверность. ### ASME BPVC Section III, Division 5 ASME BPVC Section III, Division 5 посвящён изготовлению высокотемпературных элементов реакторов. Его предметом является не просто табулирование прочности материалов. Он устанавливает правила для элементов, подвергающихся воздействию повышенных температур, при которых в процессе эксплуатации могут взаимодействовать ползучесть, усталость, взаимодействие ползучести и усталости, циклическое накопление пластической деформации, температурные градиенты и зависящее от времени повреждение. ASME BPVC Section III, Division 5 необходимо рассматривать совместно с применимыми требованиями к материалам и данными об их свойствах, включая, где это применимо, расчётные значения, приведённые в ASME BPVC Section II, Part D. Строительные правила определяют порядок оценки зависящих от температуры напряжений, циклических историй нагружения, пределов деформации, сварных соединений, неупругого анализа и накопленного повреждения. Элемент реактора может испытывать циклы пуска и остановки, накладывающиеся на многолетнее воздействие постоянных температуры и давления; расчёт только на разрушение под напряжением не отразил бы такую историю. В презентации IAEA, подготовленной K. Natesan, циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменение микроструктуры названы важными факторами при проектировании с учётом взаимодействия ползучести и усталости для ферритной стали Grade 91. Именно эти обстоятельства объясняют, почему элемент может соответствовать расчёту на допустимое напряжение и при этом требовать эксплуатационного контроля или повторной оценки после работы. Рассчитанный запас относится к установленной проектной основе. Это различие является основным правилом. Данные о материале описывают поведение при заданных испытаниях. Строительные кодексы предписывают, как проектировщики и изготовители должны использовать эти данные. Нормативные документы устанавливают имеющие юридическую силу требования безопасности и обязательства по подтверждению соответствия. Ни один из этих трёх компонентов — ни по отдельности, ни в совокупности — не прогнозирует остаточный ресурс каждого конкретного элемента. Достоверная оценка ресурса должна объединять кодексную основу с фактическими историями температур и напряжений, документацией на сварные соединения и результаты контроля, измеренной деформацией, металлургическим состоянием, воздействием окружающей среды и анализом механизмов отказа, который различает деформацию при ползучести и разрушение при ползучести. #### Минимальные исходные данные для оценки остаточного ресурса - **Идентификация материала** Зафиксируйте марку, спецификацию, номер плавки, форму изделия и термическую обработку. - **История эксплуатации** Соберите данные о температурах металла, градиентах, давлении, изменениях нагрузки, пусках, остановах и аварийных отключениях. - **Сведения о состоянии** Нанесите на карту толщину, трещины, деформацию, твёрдость, окисление, реплики и расположение сварных швов. - **Критерий отказа** Раздельно учитывайте предельную деформацию, утечку или потерю устойчивости и разрушение. ## Оценка остаточного ресурса состаренных стальных компонентов ### Данные инспекций и история эксплуатации Остаточный ресурс не является фиксированным свойством марки стали. Это оценка, относящаяся к конкретному компоненту, истории нагружения, температурному режиму, геометрии, окружающей среде и критерию разрушения. Поэтому обоснованная оценка начинается с эксплуатационной документации, а не со справочной кривой разрушения. Методы контроля, применяемые при оценке состарившихся компонентов. | Метод контроля | Какие сведения он может предоставить | |---|---| | Ультразвуковое измерение толщины | Уменьшение толщины стенки и локальный износ | | Исследование поверхностных трещин | Трещины, выходящие на поверхность, и распределение трещин | | Металлография реплик | Поры, возврат, эволюция выделений и трещины ползучести | | Картирование твёрдости | Изменения, связанные с отпуском, возвратом, холодной деформацией или локальным состоянием сварного шва | | Фрактография и металлография | Механизм разрушения, соединение пор, окисление и источник повреждения | Документация должна содержать обозначение материала, режим термической обработки, вид полуфабриката или изделия, толщину стенки, технологию сварки, присадочный металл, послесварочную термическую обработку и сведения о ремонтах. Само обозначение «Grade 91» недостаточно: трубы, листы, трубопроводы, металл сварного шва и зона термического влияния могут демонстрировать различное ползучее поведение. База данных NIMS Creep Data Sheet 2024 года иллюстрирует диапазон доступных данных. Ее данные по Grade 91 охватывают трубы, листы и трубопроводы из стали 9Cr-1Mo-V-Nb при температурах от 450 до 725 °C и напряжениях от 30 до 450 MPa; прочность при ползучести и разрушении приведена для 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Эти условия являются экспериментальными точками, а не прогнозом того, что каждый компонент Grade 91 прослужит 100 000 часов. Для анализа температурного режима недостаточно знать только максимальную расчетную температуру. Зарегистрированные температуры металла, температурные градиенты, неравномерность работы горелок или распределения потока, изменения теплоизоляции и периоды перегрева могут изменить результат. Кратковременное отклонение от режима может почти не повлиять на накопленную деформацию одного компонента, но ускорить окисление, укрупнение выделений или локальное повреждение другого. Пуски, остановы, изменения нагрузки, циклы давления и аварийные отключения также имеют значение, поскольку взаимодействие ползучести и усталости может концентрировать повреждение во время переходных процессов. ![Inspection of an aged Grade 91 weld using replica metallography and hardness mapping](/images/uploads/d3a3a1da-c6a5-4938-9ab8-b976f0937778/wiki-inline-an-engineer-examining-a-replica-metallography-sample-and-hardness-map-from-an-ag-1920x1434.jpg)[](/images/uploads/d3a3a1da-c6a5-4938-9ab8-b976f0937778/wiki-inline-an-engineer-examining-a-replica-metallography-sample-and-hardness-map-from-an-ag-1920x1434.avif "Увеличить изображение — Inspection of an aged Grade 91 weld using replica metallography and hardness mapping") История нагружения должна включать длительно действующие напряжения от давления, нагрузки от массы и ограничений перемещения, термические напряжения, изгиб, нагрузки от патрубков, смещения опор и локальные напряжения в области концов сварных швов, приварных элементов, отверстий и переходов толщины. Одно только давление редко описывает максимальное напряжение. Данные измерений геометрии могут выявить накопленную реакцию конструкции: увеличение диаметра, выпучивание, прогиб, утонение, искажение формы, остаточное удлинение и изменения соосности. Стабильность размеров не доказывает отсутствия повреждений, однако увеличение скорости изменения размеров является прямым свидетельством продолжающейся деформации. Затем результаты инспекций необходимо сопоставить с фактическим путем передачи нагрузки. Ультразвуковые измерения толщины, контроль поверхностных трещин, радиография, методы фазированных решеток, измерения оксидного слоя, измерения твердости и реплик-металлография дают ответы на разные вопросы. Расчет потери толщины стенки не может учитывать ползучую пористость в сварном шве, если эта пористость не выявляется отдельным методом. Аналогично, индикация трещины может определять пригодность к дальнейшей эксплуатации еще до того, как общая деформация от ползучести станет значительной. Металлография реплик может выявить эксплуатационные повреждения, однако одни лишь изолированные поры не позволяют установить остаточный ресурс. Limited evidence При оценке следует различать три предельных состояния: допустимую деформацию, утечку или потерю устойчивости и разрушение. При анализе разрушения от длительного действия напряжения рассматривается время до разрушения; оценка ползучести также учитывает скорость и величину деформации до разрушения. ASTM E139-11(2018), опубликованный ASTM International, устанавливает испытания при постоянных растягивающей силе и температуре для измерения изменения деформации во времени при испытаниях на ползучесть, а также времени до разрушения при испытаниях на ползучесть с разрушением и на длительную прочность. Расчет остаточного ресурса, в котором время до разрушения используется как будто оно является пределом деформации, отвечает не на тот вопрос. ### Реплика-металлография и данные о твердости Реплики дают практическую возможность исследовать изменения поверхностной микроструктуры без удаления крупного образца. Правильно изготовленные и промаркированные реплики могут показать эволюцию карбидов, восстановление мартенсита или бейнита, укрупнение выделений, поры на границах зерен и трещины от ползучести. Место отбора имеет такое же значение, как и само изображение. Реплики основного металла, металла сварного шва и зоны термического влияния нельзя считать взаимозаменяемыми, поскольку их температурные истории и реакции выделения различаются. Для ферритной стали Grade 91 длительная эксплуатация может снизить эффективность отпущенной мартенситной структуры вследствие процессов восстановления, изменений выделений и потери стабильности субзерен. В материалах K. Natesan, подготовленных для IAEA по проектированию с учетом взаимодействия ползучести и усталости, циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменения микроструктуры определены как значимые факторы. Реплика с отдельными порами свидетельствует о локальном повреждении, но сама по себе не дает численного значения остаточного ресурса. Более убедительные данные дают плотность и форма пор, их ориентация, слияние в трещины, площадь поражения и изменение картины между остановами оборудования. Твердость столь же полезна, но также имеет ограничения. Снижение твердости может подтверждать отпуск, восстановление или термическое воздействие; локальное повышение может указывать на твердую область сварного шва, неотпущенный мартенсит, наклеп или состояние после ремонта. По твердости нельзя однозначно определить деформацию от ползучести или ресурс до разрушения. По возможности ее следует сопоставлять с документированными значениями при изготовлении, с данными для расположенного рядом неповрежденного материала и с результатами измерений на том же компоненте. При интерпретации микроструктуры необходимо также учитывать повреждения, обусловленные окружающей средой. Окисление, науглероживание, обезуглероживание, воздействие водорода и коррозионное утонение могут изменить как измеряемое сечение, так и механизм разрушения. Например, ASTM A1091/A1091M распространяется на литые ферритные легированные стали Grade C91 с повышенной жаропрочностью для деталей, работающих под давлением; их отпущенная мартенситная или бейнитная структура стабилизируется выделившимися частицами. Это описание не делает данные для литой Grade C91 взаимозаменяемыми с данными для деформируемой Grade 91. Полезное сравнение результатов между остановами оборудования должно включать одни и те же места, увеличение, метод подготовки, метод измерения твердости и масштаб изображения. Повторные данные могут показать, стабильны ли поры, увеличивается ли их количество или происходит ли их слияние в трещины. Они также могут выявить опасное допущение: внешне неповрежденный основной металл может соседствовать с деградировавшей зоной термического влияния сварного шва. ### Согласование с моделями повреждения от ползучести Модели преобразуют результаты инспекций и эксплуатационные данные в оценку, но не заменяют инженерное суждение относительно неопределенности. Первая задача — выбрать данные по материалу, соответствующие марке, виду изделия, состоянию сварного соединения, диапазону температур, напряженному состоянию и окружающей среде. NIMS предоставляет систематически собранные данные по ползучести и разрушению для углеродистых, низколегированных, высокохромистых и аустенитных жаростойких сталей. NIST указывает, что данные о разрушении при ползучести относятся к основным видам информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенной температуре. В документе NUREG/CR-6150, выпущенном U.S. Nuclear Regulatory Commission в 1994 году, описано моделирование повреждения от разрушения при ползучести с использованием параметров Larson-Miller и Manson-Haferd для таких материалов, как углеродистая и нержавеющая сталь. Такие параметрические методы могут интерполировать и систематизировать экспериментальные данные, однако экстраполяция при значительных изменениях температуры, напряжения, микроструктуры или времени может иметь решающее значение. Их следует рассматривать как доказательную основу в пределах определенного диапазона данных, а не как универсальные прогнозы ресурса. Расчет может интегрировать повреждение при изменяющихся условиях, сопоставлять прогнозируемую деформацию с измеренным изменением геометрии и проверять альтернативные допущения относительно локального напряжения и температуры. Исследование на основе подхода Wilshire в области механики поврежденной сплошной среды, о котором в 2022 году сообщил U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information, объединяет уравнения Wilshire с механикой поврежденной сплошной среды для прогнозирования деформации от ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждения и ресурса до разрушения при длительном действии напряжения для стали P91. До публикации следует проверить имена авторов исследования по связанной записи, а не выводить их косвенно. Его результаты по-прежнему описывают конкретную модель и набор данных, а не каждый сварной шов P91 или любую историю эксплуатации. #### Контрольный список для сопоставления данных о ползучести - **Материал** Марка, спецификация, форма изделия, термическая обработка, плавка и ориентация. - **Нагружение** Приложенное напряжение, определение напряжения, способ нагружения и геометрия. - **Температура** Температура образца или рабочей части, допуск регулирования и градиенты. - **Измерение** Метод измерения деформации, база измерения, перерывы и продолжительность испытания. - **Результат** Состояние после разрушения, место разрушения, механизм разрушения и история деформации. Согласие между расчетной деформацией и измеренным выпучиванием является обнадеживающим, но автоматически не подтверждает ресурс до разрушения. Расхождение может указывать на неверно заданную температуру, заниженную оценку локального напряжения, неоднородность материала, деградацию сварного соединения или другой механизм повреждения. Обоснованная оценка должна отражать эти конкурирующие объяснения и показывать, как изменяется расчетный интервал при их учете. Проектные и нормативные требования определяют порядок интерпретации доказательств. ASME BPVC Section II, Part D содержит свойства материалов, тогда как ASME Section III, Division 5 устанавливает правила конструирования высокотемпературных компонентов реакторов. Directive 2014/68/EU требует учитывать свойства, связанные с ползучестью, и установленные пределы в тех случаях, когда ползучесть имеет существенное значение при проектировании оборудования, работающего под давлением. Эти требования ограничивают порядок проведения оценки, но не превращают результаты инспекции в гарантированное значение срока службы. Защищаемый с технической точки зрения результат представляет собой документированный диапазон, связанный с фактическим состоянием, достоверными историями нагружения, данными о материале и установленным пределом разрушения или деформации. ## Как сравнивать данные по ползучести, не допуская ошибочных выводов Кривая ползучести не является константой материала. Это реакция конкретного образца, изготовленного из определённого изделия и определённой плавки, испытанного при заданных температуре и напряжении в течение установленного времени. Перед сравнением двух кривых необходимо зафиксировать все условия испытания: марку и спецификацию стали, форму изделия, термическую обработку, ориентацию образца, размеры рабочей части, приложенное напряжение и способ его расчёта, температуру испытания и допустимое отклонение при её регулировании, атмосферу, метод измерения деформации, продолжительность испытания и наличие или отсутствие разрушения образца. Это различие имеет значение, поскольку ползучесть представляет собой зависящую от времени деформацию под воздействием постоянной нагрузки и температуры, тогда как испытания на длительную прочность в основном характеризуются временем до разрушения. Стандарт ASTM E139-11(2018), опубликованный ASTM International, охватывает измерение деформации как функции времени при испытаниях на ползучесть, а также времени до разрушения при испытаниях на ползучесть до разрушения и на длительную прочность при постоянных растягивающей силе и температуре. Поэтому кривая времени до разрушения не может ответить на вопрос о допустимой деформации, если отсутствуют сопутствующие данные о деформации. Равным образом, кратковременное испытание на ползучесть не может служить надёжным основанием для установления ресурса в 100 000 часов. ### Оси напряжения, температуры и времени до разрушения Прежде чем оценивать кажущийся порядок расположения кривых, изучите обе оси. Данные о разрушении обычно представляют в виде зависимости напряжения от времени до разрушения при фиксированных температурах, однако график может быть построен в линейных или логарифмических координатах либо преобразован с использованием такого параметра, как параметр Ларсона—Миллера или Мэнсона—Хаферда. Кривая, выглядящая почти прямой на одном графике, может изменить наклон на другом, особенно при смене определяющего механизма — от дислокационной ползучести к деформации, ускоряемой диффузией, повреждению границ зёрен или нестабильности выделений. Напряжение также необходимо определять точно. Номинальное инженерное напряжение, истинное напряжение и напряжение, рассчитанное по исходной или изменяющейся площади поперечного сечения, не являются взаимозаменяемыми при испытаниях, сопровождающихся значительной деформацией. Температура не менее важна. Разница всего в несколько десятков градусов может привести к значительному изменению времени до разрушения, а температурный градиент по толщине массивного образца способен создать вводящее в заблуждение среднее значение. Следует указывать, относится ли сообщаемая температура к печи, образцу или рабочей части образца. Набор данных по стали Grade 91, опубликованный National Institute for Materials Science (NIMS), иллюстрирует масштаб проблемы сопоставления. Данные по стали 9Cr-1Mo-V-Nb охватывают температуры от 450 до 725 °C и напряжения от 30 до 450 MPa; при этом прочность при ползучести до разрушения приведена для 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Эти четыре временные точки нельзя рассматривать как взаимозаменяемые показатели «высокотемпературной прочности». Сталь может сохранять высокое напряжение в течение 100 часов, но резко потерять его за 100 000 часов, если её микроструктура укрупняется или выделения утрачивают эффективность. Значения для длительных сроков часто оценивают по результатам более коротких испытаний с использованием аппроксимирующих уравнений. В документе NUREG/CR-6150, выпущенном U.S. Nuclear Regulatory Commission в 1994 году, описаны подходы Ларсона—Миллера и Мэнсона—Хаферда для углеродистых и нержавеющих сталей. Такие параметры являются инструментами интерполяции и не дают оснований игнорировать изменения механизма повреждения. В 2022 году была опубликована модель, объединяющая уравнения Уилшира с механикой повреждения сплошной среды, для стали P91; она предназначена для прогнозирования деформации при ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждения и ресурса до разрушения при длительной прочности. Её цель — описывать поведение более полно, чем это возможно при одной линейной экстраполяции. ### Разброс, прерванные испытания и различия между плавками Разброс данных по ползучести возникает потому, что стали различаются от плавки к плавке, а также потому, что небольшие различия в размере зёрен, структуре бывших аустенитных зёрен, распределении карбидов, количестве выделений, режиме отпуска и степени холодной деформации могут изменить как скорость деформации, так и механизм разрушения. Grade 91 является наглядным примером: её отпущенная мартенситная структура зависит от режимов нормализации и отпуска, а длительная выдержка может изменить структуру реек и выделения. K. Natesan из International Atomic Energy Agency указал на циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменения микроструктуры как на важные факторы при проектировании с учётом ползучести и усталости стали Grade 91. Испытание, завершившееся без разрушения, не является неудачным или непригодным результатом. Это цензурированное наблюдение: образец сохранял работоспособность как минимум до момента прерывания испытания, однако его фактическое время до разрушения неизвестно. Прерванные испытания следует отдельно отличать от результатов фактического разрушения. Кривая, аппроксимированная только по разрушившимся образцам, может занижать выживаемость, тогда как трактовка каждого прерванного испытания как разрушения в момент остановки может занижать ресурс. Следует также указывать причину прерывания — отказ оборудования, плановое извлечение образца, окисление, утечка или запланированная инспекция могут иметь разные последствия для интерпретации результата. Не следует путать среднюю тенденцию с расчётным значением. Регрессия, проведённая через центр набора данных, описывает ожидаемое поведение исследованной совокупности, но не определяет безопасное допустимое напряжение. В расчётных правилах могут применяться аппроксимации по нижней границе, коэффициенты учёта разброса, минимальные требования к свойствам, доли повреждения или ограничения по суммарной деформации и времени до разрушения. NIST относит данные о длительной прочности до разрушения к основным видам информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенной температуре. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчётные свойства материалов, тогда как ASME Section III, Division 5 устанавливает правила конструирования высокотемпературных компонентов реакторов. Директива 2014/68/EU также требует учитывать свойства, связанные с ползучестью, и установленные ограничения в случаях, когда ползучесть существенно влияет на проектирование оборудования, работающего под давлением. ### Сравнение труб, листов, трубопроводов, отливок и сварных соединений Форма изделия является частью описания материала. Для труб, листов и трубопроводов могут применяться различные коэффициенты обжатия, режимы термической обработки, положения по толщине и направления отбора образцов. Продольный образец из трубы не обязательно представляет поперечный образец из листа. Толщина влияет на скорость охлаждения, а следовательно, на размер зёрен и распределение выделений. Состояние поверхности и обезуглероживание также могут непропорционально сильно влиять на небольшой образец для испытания на разрушение. Для отливок требуется ещё большая осторожность. Стандарт ASTM A1091/A1091M распространяется на литые ферритные легированные стали Grade C91 с повышенной сопротивляемостью ползучести, предназначенные для деталей, работающих под давлением. Их отпущенная мартенситная или бейнитная микроструктура стабилизируется выделившимися частицами, однако ликвация в отливке, пористость, толщина сечения и локальная структура затвердевания создают различия, которые нельзя оценить только по названию марки. Данные для литой стали «C91» не следует напрямую сопоставлять с данными для деформированной трубы из Grade 91 без проверки спецификации, технологии изготовления, термической обработки и места отбора образца. Сварные компоненты включают несколько самостоятельных зон: металл шва, границу сплавления, крупнозернистую зону термического влияния, мелкозернистую или межкритическую зону термического влияния и неповреждённый основной металл. Даже если кривая для основного металла выглядит благоприятно, разрушение может определяться наиболее слабой зоной. Поэтому вместе с результатом необходимо указывать процедуру сварки, послесварочную термическую обработку, историю ремонтных работ, остаточные напряжения и расположение надреза на образце. Наконец, следует отказаться от двух простых, но ошибочных сокращений. Прочность при растяжении при комнатной температуре не прогнозирует длительные характеристики при ползучести, а один результат кратковременного испытания на разрушение не устанавливает порядок эксплуатационной пригодности материалов. Сначала сопоставьте напряжение, температуру, временной масштаб, форму изделия, ориентацию, обработку и место разрушения. Только после этого кривую можно использовать при проектировании. ## Распространённые ошибки при выборе и анализе сталей для высоких температур ### Рассмотрение жаропрочности как единственного числового показателя Сталь не обладает одной универсальной «прочностью при высоких температурах». Допустимое напряжение зависит от температуры, продолжительности воздействия, напряжённого состояния, предельной деформации, формы изделия, микроструктуры, окружающей среды и оцениваемого механизма разрушения. Кратковременный результат испытания на растяжение может характеризовать сопротивление быстрому нагружению при 600 °C, но не может служить заменой оценке стабильности размеров в течение 100 000 часов при той же температуре. Проектирование на ползучесть должно опираться на зависящие от времени и температуры данные для конкретного изделия, а не на одно значение высокотемпературной прочности. Strong evidence Ползучесть и длительная прочность являются связанными, но различными характеристиками. Ползучесть описывает зависящую от времени деформацию при постоянной нагрузке; испытание на длительную прочность фиксирует время до разрушения. Стандарт ASTM E139-11(2018) ASTM International разграничивает эти цели: он охватывает деформацию как функцию времени при испытаниях на ползучесть и время до разрушения при испытаниях на ползучесть до разрушения и на длительную прочность при постоянных растягивающем усилии и температуре. Поэтому компонент может не соответствовать проектному требованию из-за чрезмерной деформации, локальной потери устойчивости, утечки или уменьшения зазора ещё до того, как образец для испытания на разрушение разрушится. Набор данных NIMS по стали Grade 91 показывает, почему одно числовое значение вводит в заблуждение. Для труб, листов и трубных изделий из стали 9Cr-1Mo-V-Nb база данных охватывает температуры от 450 до 725 °C и напряжения от 30 до 450 МПа; приведены значения длительной прочности через 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Это не взаимозаменяемые точки одной таблицы прочности. Они описывают поверхность в пространстве «напряжение—температура—время», и соответствующая точка должна совпадать с историей эксплуатации. NIMS также ведёт систематически собранные данные по углеродистым, низколегированным, высокохромистым и аустенитным жаропрочным сталям; NIST относит данные по длительной прочности к основным видам информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенной температуре. Grade 91 выявляет ещё одну распространённую ошибку: предположение, что все формы продукции ведут себя одинаково. Трубы, листы, поковки, сварной металл и зоны термического влияния могут различаться по размеру исходного аустенитного зерна, состоянию отпуска, составу выделений, остаточным напряжениям и истории обработки. P91 — отпущенная мартенситная сталь, сопротивление ползучести которой в значительной степени определяется её реечной структурой и выделениями. ASTM A1091/A1091M Grade C91 распространяется на отливки для деталей, удерживающих давление, в которых отпущенная мартенситная или бейнитная микроструктура стабилизируется частицами выделившихся фаз. Одного обозначения «Grade 91» недостаточно для оценки; важны спецификация, форма изделия, термическая обработка, состояние сварного соединения и прослеживаемые данные испытаний. Заменой подходу с единственным числовым показателем должна служить зависящая от времени и температуры модель материала, подтверждённая данными для конкретной формы продукции. После этого проектные значения необходимо брать из применимых нормативных правил, а не восстанавливать по привлекательному показателю прочности при растяжении. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчётные свойства материалов, а ASME BPVC Section III, Division 5 устанавливает правила конструирования высокотемпературных компонентов реакторов. Если ползучесть имеет существенное значение для оборудования, работающего под давлением, Directive 2014/68/EU требует учитывать характеристики, связанные с ползучестью, и установленные предельные значения для ферритных и аустенитных сталей. ### Игнорирование времени и переходных процессов Испытание при постоянной температуре и постоянной нагрузке полезно, однако компоненты промышленных установок редко работают в таких условиях. Котлы, коллекторы, компоненты реакторов и паропроводы подвергаются пускам, остановам, изменениям нагрузки, температурному расслоению, вибрации и эпизодическим перегрузкам. Эти события изменяют скорости деформации и изменения напряжений, создают температурные градиенты и могут накладывать усталостное повреждение на повреждение от ползучести. Игнорирование переходных процессов особенно опасно для Grade 91. Материалы IAEA по проектированию с учётом взаимодействия ползучести и усталости, подготовленные K. Natesan, указывают на циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменение микроструктуры как на важные факторы для ферритной Grade 91. Расчёт, основанный только на установившейся ползучести, может не выявить релаксацию во время выдержки, пластическую деформацию при быстром изменении температуры или повреждение, накопленное вследствие перераспределения нагрузки в размягчённой области. Термическое старение также изменяет материал в процессе эксплуатации. Отпущенные мартенситные стали могут терять дислокационную структуру, укрупнять или преобразовывать выделения и развивать локализованные повреждения вблизи сварных соединений. Реакции карбидов и воздействие окружающей среды могут снижать сопротивление без какого-либо изменения номинального обозначения марки. В главах ASM International *Creep and Stress Rupture Failures* и *Design for High-Temperature Applications* эти механизмы рассматриваются наряду со скоростью деформации, механизмом разрушения, металлургической нестабильностью, воздействием окружающей среды и взаимодействием ползучести и усталости. Это не факультативные поправки, которые можно внести после базовой проверки напряжений. Анализ должен воспроизводить фактическую историю изменения температуры и напряжений, разделять эксплуатацию на соответствующие выдержки и переходные процессы и использовать признанный метод оценки повреждения или деформации. Для оценки разрушения расчёты накопленного повреждения могут быть уместны, если их допущения соответствуют материалу и истории нагружения. Документ NUREG/CR-6150, опубликованный U.S. Nuclear Regulatory Commission в 1994 году, описывает моделирование повреждения от длительной прочности с использованием параметров Larson-Miller и Manson-Haferd для углеродистых и нержавеющих сталей. Эти параметры систематизируют данные, но не устраняют необходимость анализировать накопление деформации, влияние сварных соединений, циклическое нагружение и старение. ### Экстраполяция за пределы имеющихся данных Большая продолжительность эксплуатации побуждает к агрессивному подбору кривых. Небольшое количество испытаний продолжительностью в несколько тысяч часов аппроксимируют зависимостью Larson-Miller, а затем распространяют её на несколько десятилетий, как будто определяющий механизм не может измениться. Это допущение, а не измерение. Долговременная экстраполяция становится ненадёжной, когда определяющим поведение процессом становятся выделение фаз, возврат, порообразование по границам зёрен, окисление или другой механизм повреждения. Кривая, хорошо описывающая кратковременные данные о разрушении, может предсказывать неправильный наклон после перехода материала в другой режим. Именно поэтому серия данных NIMS по Grade 91 включает интервалы наблюдения до 100 000 часов: оценка ресурса требует данных, близких к заявляемому масштабу времени, а не просто удобного уравнения. Обоснованная экстраполяция должна учитывать остатки, охват температур и напряжений, форму изделия, цензурирование результатов неразрушившихся испытаний и физическую правдоподобность сохранения применяемого механизма. Её следует сопоставлять с результатами для независимых плавок и более длительными испытаниями. Исследование 2022 года, основанное на подходе Wilshire к механике повреждения сплошной среды для P91, объединяет уравнения Wilshire с механикой повреждения сплошной среды для прогнозирования деформации при ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждения и ресурса до разрушения при длительной прочности. Это информативнее, чем подбор зависимости только по времени до разрушения, однако перед публикацией необходимо проверить авторов и точную библиографическую запись по материалам U.S. Department of Energy OSTI. Практическое правило строгое: никогда не распространяйте подобранную кривую за пределы продемонстрированного диапазона температур, напряжений, микроструктур и времени без указания неопределённости и анализа механизма. При недостатке данных предпочтительнее использовать консервативные нормативные значения, мониторинг компонентов, репличную металлографию и оценку ресурса на основе результатов инспекций, чем создавать иллюзию точности. Число с шестью знаками после запятой всё равно остаётся спекуляцией, если состояние материала или механизм разрушения изменились. ## Справочная база для исследований ползучести стали и разрушения при длительном воздействии напряжения Ползучесть и разрушение при длительном воздействии напряжения — взаимосвязанные, но различные явления. Ползучесть представляет собой зависящую от времени деформацию под действием постоянной нагрузки и при повышенной температуре; при исследовании разрушения от напряжения основное внимание уделяется времени до разрушения при заданных напряжении и температуре. Поэтому достоверная документация должна содержать не только одно значение «прочности при высокой температуре». Она должна связывать метод испытания, состояние материала, историю деформирования, характер разрушения и проектное правило, использованное для интерпретации результата. ### Источники ASTM, ASM, NIMS и NIST ASTM E139-11(2018), опубликованный ASTM International, является основным нормативным документом по методике испытаний металлических материалов при постоянной растягивающей силе и температуре. Он охватывает измерение деформации как функции времени при испытаниях на ползучесть, а также измерение времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность и разрушение при длительном воздействии напряжения. Стандарт не превращает каждый результат в допускаемое проектное значение. Он устанавливает порядок проведения и представления результатов эксперимента, включая условия подготовки образца и испытания, от которых зависит сопоставимость данных. ASM International предоставляет металлургическое объяснение, которого сама методика испытаний дать не может. Главы ASM Handbook «Creep and Stress Rupture Failures» и «Design for High-Temperature Applications» рассматривают механизмы деформации, влияние напряжения и температуры, виды разрушения, воздействие окружающей среды, металлургическую нестабильность, старение, реакции карбидов, взаимодействие ползучести и усталости, а также аналитические методы расчёта длительной прочности. Эти главы особенно полезны в случаях, когда результат изменяется с увеличением времени выдержки вследствие укрупнения выделений, отпуска мартенсита, эволюции зёрен или окисления, изменяющего эффективную площадь сечения. NIMS предоставляет более систематизированный источник данных. База данных Creep Data Sheet Национального института материаловедения включает углеродистые, низколегированные, высокохромистые и аустенитные жаропрочные стали. Набор данных по Grade 91 за 2024 год охватывает трубы, листы и трубные заготовки из стали 9Cr-1Mo-V-Nb при температурах от 450 до 725 °C и напряжениях от 30 до 450 MPa. Длительная прочность представлена для 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов. Этот диапазон показывает, почему значение, приведённое без указания временной базы, может вводить в заблуждение: для одной и той же марки допустимые уровни напряжения при 1 000 и 100 000 часах могут существенно различаться. Обозначения марок также должны использоваться точно. ASTM A1091/A1091M распространяется на отливки из ферритной легированной стали Grade C91 с повышенной сопротивляемостью ползучести, предназначенные для деталей, работающих под давлением. Её отпущенная мартенситная или бейнитная структура стабилизируется выделившимися частицами, повышающими длительную прочность, однако это обозначение не отменяет необходимости документировать состояние отливки, термическую обработку, толщину сечения и условия эксплуатации. NIST относит данные по длительной прочности к основному классу информации о механических свойствах, необходимой для оценки металлов при повышенных температурах. Его рекомендации по источникам данных особенно ценны для редакторов, поскольку помещают отдельные кривые в более широкий контекст получения прослеживаемых доказательств свойств материалов, а не рассматривают запись в базе данных как самодостаточную. В исследовании 2022 года, зарегистрированном Управлением научно-технической информации Министерства энергетики США, уравнения Wilshire объединены с механикой повреждения сплошной среды для прогнозирования деформации ползучести, минимальной скорости ползучести, повреждения и ресурса до разрушения от напряжения для стали P91. Перед публикацией следует проверить в связанной записи точные имена авторов исследования; их нельзя выводить по вторичной ссылке. ### Источники ASME, ЕС, IAEA и NRC Проектные нормы определяют, каким образом данные испытаний преобразуются в допустимые напряжения, предельные значения или оценки повреждения. Директива Европейского союза 2014/68/EU — Директива по оборудованию, работающему под давлением, — требует учитывать свойства материалов, связанные с ползучестью, и установленные предельные значения, если ползучесть существенно влияет на проектирование оборудования под давлением. Для ферритных и аустенитных сталей допустимые напряжения должны отражать применимое долговременное поведение материала, а не только кратковременную прочность при растяжении. ASME BPVC Section II, Part D содержит расчётные свойства материалов, включая значения, используемые в нормативных расчётах. ASME BPVC Section III, Division 5 устанавливает правила проектирования и изготовления высокотемпературных компонентов реакторов, для которых срок службы компонентов может определяться зависящей от времени деформацией, взаимодействием ползучести и усталости, а также старением. В отчёте следует указывать применённые издание и подраздел, поскольку нормативные значения и процедуры оценки не являются взаимозаменяемыми для разных изданий или юрисдикций. В документе IAEA, подготовленном K. Natesan, для ферритной стали Grade 91 циклическое разупрочнение, зависимость от скорости деформации, термическое старение, воздействие окружающей среды и изменение микроструктуры определены как факторы, влияющие на проектирование с учётом ползучести и усталости. Grade 91 нельзя оценивать только по данным монотонной ползучести, если эксплуатация включает повторяющиеся пуски и остановы, температурные градиенты или циклическое нагружение. Для расчётов повреждения документ U.S. Nuclear Regulatory Commission NUREG/CR-6150 (1994) описывает моделирование повреждения от разрушения при ползучести с использованием параметров Larson-Miller и Manson-Haferd для таких материалов, как углеродистая и нержавеющая стали. Эти параметры являются инструментами экстраполяции, а не физическими константами. Их применимость зависит от диапазона исходных данных, аппроксимированной зависимости напряжение–температура, определения разрушения и степени доверия к прогнозам для длительных периодов. ### Что должна содержать обоснованная техническая документация Обоснованная документация начинается с точного обозначения марки и стандарта, включая соответствующую редакцию: например, Grade 91, P91 и ASTM A1091/A1091M Grade C91 — это не взаимозаменяемые обозначения. Следует указать форму изделия — труба, лист, трубная заготовка, поковка или отливка, — а также номер плавки, ориентацию, размеры, состояние зёрен, состояние поставки и полный режим термической обработки. В записи об испытании должны быть указаны приложенное напряжение, вид напряжения, температура, атмосфера, геометрия образца, способ нагружения, продолжительность испытания, перерывы и порядок калибровки. Следует сохранять полную запись зависимости деформации от времени, а не только минимальную скорость ползучести или удлинение при разрушении. Необходимо указать, произошло ли разрушение, когда именно оно произошло, где сформировался излом и наблюдались ли шейка, кавитация, окисление, трещины или другие повреждения. Наконец, следует указать модель экстраполяции или повреждения, её аппроксимированные параметры, пределы применимости данных, учёт неопределённости и каждое допущение относительно металлургической стабильности и воздействия окружающей среды. Необходимо назвать применимый нормативный документ или директиву, редакцию, расчётную температуру, расчётный срок службы, основу определения допустимого напряжения и процедуру оценки взаимодействия ползучести и усталости. Без этих сведений указанная «прочность при ползучести» представляет собой точку данных, оторванную от условий, придающих ей смысл. ## Источники 1. \[1\] ASTM International. ASTM E139-11(2018), Standard Test Methods for Conducting Creep, Creep-Rupture, and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials. ASTM International standard, 2018. [](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#wiki-cite-ref-1) ASTM E139-11(2018) 2. \[2\] U.S. Nuclear Regulatory Commission. NUREG/CR-6150: Creep-Rupture Damage Modeling. U.S. Nuclear Regulatory Commission report, 1994. [](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#wiki-cite-ref-2) NUREG/CR-6150 3. \[3\] Authors to be verified against the linked record. Wilshire-equation and continuum-damage-mechanics study of P91 steel. U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information record, 2022. [](/ru/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8/%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%B4-%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%BB%D1%83%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D1%80%D0%B8-%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%85#wiki-cite-ref-3) U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information linked record **Ползучесть стали: краткий обзор** Типовая основа расчёта срока службы 10 000 или 100 000 часов Диапазон температур данных для марки 91 от 450 до 725 °C Диапазон напряжений данных для марки 91 от 30 до 450 MPa Заявленные точки срока до разрушения 100, 1 000, 10 000 и 100 000 часов [Вернуться к Как читать характеристики стали](/ru/вики/характеристики-стали "Как читать характеристики стали — Steel Wiki")