材料的高溫性能介紹

1、高溫下承載材料的機(jī)械性能與室溫承載材料有很大區(qū)別： 比如 （1）強(qiáng)度降低，在不同溫度下進(jìn)行金屬材料的靜拉伸試驗時，可以發(fā)現(xiàn)， 隨著試驗溫度的升高，屈服平臺消失，而且材料所能承受的最大載荷也降低。 圖 （ 2）塑性增大。 在高溫條件下，影響材料機(jī)械性能的因素增多，不僅溫度有影響，應(yīng)變速 度，斷裂所需時間也有影響。 6.1. 金屬材料的蠕變形象 6.1. 1. 蠕變現(xiàn)象 蠕變： 金屬材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形。 碳素鋼超過300350C，合金鋼超過400450C發(fā)生 蠕變曲線： 三個階段 oa 開始部分，加載引起的瞬時變形 ab第1階段，速度大，不穩(wěn)定階段，減速階段，n

2、1 1 be第2階段，穩(wěn)定階段，等速階段 n2 2 cd第3階段，最后階段，加速階段 n 3 3不能計入元件壽命期。 6.1. 2. 蠕變曲線的表示方式 數(shù)學(xué)模型，主要表示第一階段和第二階段 蠕變條件下蠕變速度隨時間變化可用下式來表示 其中 A，n 為外界條件與材料性質(zhì)的常數(shù) 第一階段兩種式子 第二階段 6.1. 3. 金屬材料在蠕變中的組織變化 6.1. 3.1. 滑移 整個蠕變過程中，有滑移產(chǎn)生 6.1. 3.2. xx 形成 晶粒變形不均勻破裂，形成 xx 6.1. 3.3. 晶界形變 晶界也參與形變，有時 xx40-50% 6.1. 4. 金屬材料的蠕變理論 蠕變是在一定的溫度和應(yīng)力作

3、用下發(fā)生的，與原子熱運(yùn)動有關(guān)。原子熱運(yùn) 動作用大致有兩方面： （ 1）是在應(yīng)力作用下原子直接大量地定向擴(kuò)散 （2）協(xié)助受阻位錯克服障礙重新運(yùn)動 一方面形變硬化，一方面回復(fù) 6.1. 5. 金屬材料的蠕變斷裂機(jī)理 金屬材料蠕變斷裂分 2 種： 晶間和穿晶 穿晶： 有大量塑性變形，韌性，高應(yīng)力，低溫 晶間： 塑性變形小，脆性，低應(yīng)力，高溫 等強(qiáng)度溫度概念 兩種理論： 楔形蠕變裂紋（三晶交界處應(yīng)力集中，穿晶），空洞形（空洞在三晶交界 處匯集，晶間） 6.2. 金屬材料的高溫強(qiáng)度 6.2. 1. 條件蠕變極限 根據(jù)不同的需要有 2 種 （1）給定溫度下，引起規(guī)定變形速度的應(yīng)力值 2）一定工作溫度下，在

4、規(guī)定時間內(nèi)，使試件發(fā)生一定量總變形時的應(yīng)力 6.2. 2. 高溫持久強(qiáng)度 在給定溫度下，經(jīng)過一定時間而斷裂時所能承受的最大應(yīng)力。 表示材料在溫度t經(jīng)過n而斷裂時所能承受的最大應(yīng)力 與蠕變區(qū)別： 蠕變考慮變形為主，高溫持久強(qiáng)度主要考慮材料在長期使用下的破壞抗 力。 6.3. 蠕變和持久強(qiáng)度的推測方法 必須進(jìn)行長期試驗，應(yīng)用外推方法，可大大縮短時間。 外推法： （1）總結(jié)金屬材料試驗數(shù)據(jù)，找出經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，用以外推 （2）從微觀出發(fā)，建立應(yīng)力，溫度和斷裂時間的關(guān)系式。 等溫線法： 在同一試驗溫度下，用較高溫度應(yīng)力進(jìn)行短期試驗數(shù)據(jù)。（加大強(qiáng)度） 6.4. 鋼的持久塑性 是高溫條件下工作的重要指標(biāo)之一。

5、細(xì)小碳化物（ Mo2C, VC）在晶內(nèi)析 出，提高晶內(nèi)強(qiáng)度，削弱晶界強(qiáng)度，形成低塑性的晶間斷裂。 影響因素 （ 1）合金元素 加入硼強(qiáng)化晶界，減小有害元素 S等 （ 2） xx 相組織 珠光體 -Fxxxx （ 3）熱處理 xx化溫度d,回火溫度a 6.5. 影響材料高溫強(qiáng)度性能的因素 提高材料高溫強(qiáng)度關(guān)鍵 （1）使在蠕變變形過程中受到阻礙而堆積的位錯不容易重新開始運(yùn)動 （ 2）大力強(qiáng)化晶界,避免晶間開裂 6.5. 1. 化學(xué)成分 6.5. 1.1. C 1.2 的微小變化，卻引起剩余壽命近 10 倍的變化，雖然通過研究分析證 明，對于10CrMo910主蒸汽管道，安全系數(shù)n已經(jīng)能夠取到 1.

6、2。但是，對于運(yùn)行在不同的工作環(huán)境和狀況的主蒸汽管道，這種降低安 全系數(shù)的取值方法是否具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，還值得懷疑，即傳統(tǒng)的等溫直線法本 身還不能夠從理論上證明這是合理的。另一方面，安全系數(shù)取值的略微差異卻 造成剩余壽命評估巨大的變化，使金屬工作者無法從經(jīng)驗上去把握其合理性。 相反，利用可靠性的評價方法可以看出，即使安全系數(shù)n = 1.2，對于本例中的主蒸汽管，其可靠度依然能夠保持在 0.99610，即主蒸汽管道繼續(xù)運(yùn)行 800小時的失效概率僅為 0.00390，其安全運(yùn)行的可靠度是很高的，這與文獻(xiàn) 8研究結(jié)果是一致 的，而傳統(tǒng)的壽命預(yù)測方法則保守得多。 5結(jié)論 基于可靠性的壽命預(yù)測法以應(yīng)力和強(qiáng)

7、度為隨機(jī)變量作為出發(fā)點，利用強(qiáng)度 和應(yīng)力干涉的概率，求解主蒸汽管的可靠度的評價方法具有以下特點和優(yōu)點： (1) 認(rèn)識到蒸汽管道所受的應(yīng)力和材料強(qiáng)度均非定值，而為隨機(jī)變量，具有 離散性質(zhì)，必須用數(shù)學(xué)上的分布函數(shù)來描述，故所用的概率和統(tǒng)計方法預(yù)測主 蒸汽管的壽命也較傳統(tǒng)方法更為準(zhǔn)確和客觀。 (2) 可靠性的方法認(rèn)為主蒸汽管的失效是一隨機(jī)事件，只要這一事件不發(fā) 生，管道就可繼續(xù)運(yùn)行，只不過隨時間的增加，發(fā)生管道失效事件的概率增大 而已；傳統(tǒng)的方法試圖預(yù)測一具體的壽命值，在壽命值以下運(yùn)行是安全的，超 過此值即是危險的；兩種方法相比較而言，可靠性方法更符合實際情況。 （3）傳統(tǒng)方法給出的壽命值往往精確到

8、小時，但它沒有給出置信度，這種預(yù) 測是不精確 （不可靠 ）的；可靠性評價考慮了實際過程中的隨機(jī)性，以失效的概率 為主要預(yù)報值，具有較傳統(tǒng)方法更高的精確度。 （4）可靠性方法以可靠度 （失效概率 ）為主要判據(jù)與現(xiàn)在火電廠實行的可靠性管 理有機(jī)地結(jié)合。按可靠性方法管道的壽命不是固定的，依所給的可靠度而定。 即在全廠可靠性目標(biāo)確定后，系統(tǒng)可靠性分配將給主蒸汽管道一確定值， 按此值即可求得管道的壽命 . 需要說明的是，由于無法取到主蒸汽管的實際運(yùn)行數(shù)據(jù)，或者目前有些理 論的不完善性，在利用應(yīng)力和持久強(qiáng)度的分布函數(shù)來計算主蒸汽管的可靠度 時，作了一些合理和必要的假設(shè)。實際上有些數(shù)據(jù)是非常容易取到和計算的

9、， 例如主蒸汽管運(yùn)行的計算壓力 Pjs 的分布參數(shù)，完全可以通過抽樣統(tǒng)計主蒸汽管 的壓力記錄得到真實的數(shù)據(jù)。而一方面，在主蒸汽管道的應(yīng)力計算中，采用了 現(xiàn)行的環(huán)向應(yīng)力決定其蠕變壽命的假設(shè)，忽略了一些次要因素，可能會影響可 靠性評估的準(zhǔn)確性。但總體上，可靠性評價考慮了實際過程中的隨機(jī)性，是較 為成功的。為保證在高溫長期載荷作用下的機(jī)件不致產(chǎn)生過量變形，要求金屬 材料具有一定的蠕變極限。和常溫下的屈服強(qiáng)度z 0.2 相似，蠕變極限是高溫長期載荷作用下材料對塑性變形抗力的指標(biāo)。 蠕變極限兩種表示方法： 1. 在給定T下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速度的應(yīng)力值，以符號斤力 /毫米2 表示（其中為第二階段蠕變速

10、度， %/小時）。公在電站鍋爐、汽輪機(jī)和燃?xì)廨?機(jī)制造中，規(guī)定的蠕變速度大多為 1X 10-5%、時或1X 10-4%、時。例如，=6公 斤力/毫米2,表示在溫度為600C的條件下，蠕變速度為1X10-5%、時的蠕變極 限為 6公斤力/毫米 2。 2. 在給定溫度（T）下和在規(guī)定的試驗時間（t，小時）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一 定蠕變形量（S, %）的應(yīng)力值，以符號公斤力/毫米2表示。 例如，=10公斤力/毫米2,就表示材料在500C溫度下，10萬小時后變形 量為 1%的蠕變極限為 10公斤力/毫米 2。試驗時間及蠕變變形量的具體數(shù)值是 根據(jù)機(jī)件的工作條件來規(guī)定的。 以上兩種蠕變極限都需要試驗到蠕變第二

11、階段若干時間后才能確定。 3兩種蠕變極限在應(yīng)變量之間有一定的關(guān)系。例如,以蠕變速度確定蠕變 極限時，當(dāng)恒定蠕變速度為1 X 10-5%、時，就相當(dāng)于100, 000小時的應(yīng)變量為 1%。這與以應(yīng)變量確定蠕變極限時的 100, 000小時的應(yīng)變量為 1%相比,僅相 差（見圖 9-2）,但其差值甚小,可忽略不計。 因此，就可認(rèn)為兩者所確定的應(yīng)變量相等。同樣，蠕變速度為1X 10-4%、 時,應(yīng)相當(dāng)于 10, 000小時的應(yīng)變量為 1%。 二、蠕變極限測定方法 測定金屬材料蠕變極限所采用的試驗裝置,如圖811 所示。試樣的蠕變 試驗用試樣的形狀、尺寸及制備方法、試驗程序和操作方法等,可有關(guān)國家標(biāo) 準(zhǔn)

12、的規(guī)定進(jìn)行。 現(xiàn)以第二階段蠕變速度所定義蠕變極限為例,說明其測定的方法。 1在一定溫度和不同的應(yīng)力條件下進(jìn)行蠕變試驗。每個試樣的試驗持續(xù)時 間不少于 20003000小時。根據(jù)所測定的應(yīng)變量與時間的關(guān)系,作出一組蠕變 曲線。每一條蠕變曲線上直線部分的斜率,就是第二階段恒定蠕變速度。 2根據(jù)獲得的不同應(yīng)力條件下的恒定蠕變速度,在應(yīng)力與蠕變速度的對數(shù) 坐標(biāo)上作出關(guān)系曲線。 3實驗表明,在同一溫度下進(jìn)行蠕變試驗,其應(yīng)力與蠕變速度的對數(shù)值之 間呈線性關(guān)系。因此,我們可采用較大的應(yīng)力,以較短的試驗時間作出幾條蠕 變曲線,根據(jù)所測定的蠕變速度,用內(nèi)插法或外推法求出規(guī)定蠕變速度的應(yīng)力 值,即得到蠕變極限。

13、三、持久強(qiáng)度及其測定方法 蠕變極限表征了金屬材料在高溫長期載荷作用下對塑性變形的抗力，但不 能反映斷裂時的強(qiáng)度及塑性。與常溫下的情況一樣，材料在高溫下的變形抗力 與斷裂抗力是兩種不同的性能指標(biāo)。因此，對于高溫材料還必須測定其在高溫 長期載荷作用下抵抗斷裂的能力，即持久強(qiáng)度。 金屬材料的持久強(qiáng)度，是在給定溫度（T）下，恰好使材料過規(guī)定時間 （t）發(fā)生斷裂的應(yīng)力值，以公斤力/毫米2來表示。這里所指的規(guī)定時間是以機(jī) 組的設(shè)計壽命為依據(jù)。例如，對于鍋爐、汽輪機(jī)等，機(jī)組的設(shè)計壽命為數(shù)萬以 至數(shù)十萬小時，而航空噴氣發(fā)動機(jī)則為一千或幾百小時。某材料在700C承受 300 公斤力 /毫米 2 的應(yīng)力作用，經(jīng)

14、1， 000 小時后斷裂，則稱這種材料在 700C、1, 000小時的持久強(qiáng)度為30公斤力/毫米2,寫成=30公斤力/毫米2。 對于設(shè)計某些在高溫運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不考慮變形量的大小，而只考慮在承受給 定應(yīng)力下使用壽命的機(jī)件來說,金屬材料的持久強(qiáng)度是極其重要的性能指標(biāo)。 金屬材料的持久強(qiáng)度是通過做持久試驗測定的。持久試驗與蠕變試驗相 似,但較為簡單,一般不需要在試驗過程中測定試樣的伸長量,只要測定試樣 在給定溫度和一定應(yīng)力作用下斷裂時間。 通過持久強(qiáng)度試驗,測量試樣在斷裂后的伸長率及斷面收縮率,還能反映 出材料在高溫下的持久塑性。持久塑性是衡量材料蠕變脆性的一項重要指標(biāo), 過低的持久塑性會使材料在使用

15、中產(chǎn)生脆性斷裂。實驗表明,材料的持久塑性 并不總是隨載荷持續(xù)時間的延長而降低。因此,不能用外推法來確定持久塑性 的數(shù)值。對于高溫材料持久塑性的具體指標(biāo),還沒有統(tǒng)一規(guī)定。制造汽輪機(jī)、 燃?xì)廨啓C(jī)緊固件用的低合金鉻鉬鋇鋼,一般希望持久塑性（伸長率）不小于 35%,以防止脆斷。 四、影響蠕變極限和持久強(qiáng)度的因素 由蠕變斷裂機(jī)理可知,要降低蠕變速度提高蠕變極限,必須控制位錯攀移 的速度；要提高斷裂抗力,即提高持久強(qiáng)度,必須抑制晶界的滑動,也就是說 要控制晶內(nèi)和晶界的擴(kuò)散過程。這種擴(kuò)散過程主要取決于合金的化學(xué)成分,但 又同冶煉工藝、熱處理工藝等因素密切相關(guān)。 一）合金化學(xué)成分的影響 1. 基體材料： 耐熱

16、鋼及合金的基體材料一般選用熔點高、自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e能低的 金屬及合金。這是因為在一定溫度下，熔點愈高的金屬自擴(kuò)散愈慢；如果熔點 相同但結(jié)構(gòu)不同，則自擴(kuò)散激活能愈高者，擴(kuò)散愈慢；堆垛層錯能愈低者愈易 產(chǎn)生擴(kuò)展位錯，使位錯難以產(chǎn)生割階、交滑移及攀移。這些都有利于降低蠕變 速度。大多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)金屬的高溫強(qiáng)度比體心立方結(jié)構(gòu)的高，這是一個重 要原因。 2. 溶質(zhì)元素： 在基體金屬中加入鉻、鎢、鈮等合金元素形成單相固溶體，除產(chǎn)生固溶強(qiáng) 化作用外，還因合金元素使層錯能降低，易形成擴(kuò)展位錯，以及溶質(zhì)原子與溶 劑原子的結(jié)合力較強(qiáng)，增大了擴(kuò)散激活能，從而提高蠕變極限。一般來說，固 溶元素的熔點愈高、其原子

17、半徑與溶劑的相差愈大，對熱強(qiáng)性提高愈有利。 3. 相： 合金中如果含有彌散相，由于它能強(qiáng)烈阻礙位錯的滑移與攀移，因而是提 高高溫強(qiáng)度更有效的方法。彌散相粒子硬度高、彌散度大、穩(wěn)定性高，則強(qiáng)化 作用愈好。對時效強(qiáng)化合金，通常在基體中加入相同原子百分?jǐn)?shù)的合金元素的 情況下，多種元素要比單一元素的效果好。 在合金中添加能增加晶界擴(kuò)散激活能的元素（如硼及稀土等），則既能阻 礙晶界滑動，又增大晶界裂紋的表面能，因而對提高蠕變極限，特別是持久強(qiáng) 度是很有效的。 （二）冶煉工藝的影響 1. 各種耐熱鋼及其合金的冶煉工藝要求較高，因為鋼中的夾雜物和某些冶金 缺陷會使材料的持久強(qiáng)度降低。高溫合金對雜質(zhì)元素和氣體

18、含量要求更加嚴(yán) 格，常存雜質(zhì)除硫、磷外，還有鉛、錫、銻、鉍等，即使其含量只有十萬分之 幾，當(dāng)其在晶界偏聚后，會導(dǎo)致晶界嚴(yán)重弱化，而使熱強(qiáng)性急劇降低，加工塑 性變壞。 例如，對某些鎳基合金的實驗結(jié)果指出，經(jīng)過真空冶煉后，由于鉛的含量 由百萬分之五降至百萬分之二以下，其持久時間增長了一倍。 2. 由于高溫合金使用中通常在垂直于應(yīng)力方向的橫向晶界上易產(chǎn)生裂紋，因 此，采用定向凝固工藝使柱狀晶沿受力方向生長，減少橫向晶界，從而大大提 高持久壽命。例如，某鎳基合金采用定向凝固工藝后，在760C、66公斤力/毫 米 2 應(yīng)力作用下的斷裂壽命可提高 45 倍。 （三）熱處理工藝的影響 1. 珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝正火溫度應(yīng)較高，以促使碳化 物較充分而均勻地溶于奧氏體中。回火溫度應(yīng)高于使用溫度100150C以上，以 提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。 2. 奧氏體耐熱鋼或合金一般進(jìn)行固溶處理和時效，使之得到適當(dāng)?shù)木Я６龋?并改善強(qiáng)化相的分布狀態(tài)。有的合金在固溶處理后再進(jìn)行一次中間處理（二次 固溶處理或中間時效），使碳化物沿晶界呈斷續(xù)鏈狀析出，則可使持久強(qiáng)度和 持久塑性進(jìn)一步提高。 3. 采用形變熱處理改變晶界形狀（形成鋸齒狀），并在晶內(nèi)造成多邊化的亞 晶，則可使合金進(jìn)一步強(qiáng)化。如 GH 38、GH78型鐵基合金采用高溫形