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材料在高溫條件下的力學性能

 

6.1 概述

高溫下金屬及合金中出現(xiàn)的擴散、回復、再結(jié)晶等現(xiàn)象，會使其組織發(fā)生變化。金屬材料長時間暴露在高溫下，也會使其性能受到破壞。

 

在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機、柴油機、航空發(fā)動機、化工設(shè)備中高溫高壓管道等設(shè)備中，很多機件長期在高溫下服役。對于這類機件的材料，只考慮常溫短時靜載時的力學性能還不夠。

如化工設(shè)備中高溫高壓管道，雖然承受的應力小于該工作溫度下材料的屈服強度，但在長期使用過程中會產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，使管徑逐步增大，甚至會導致管道破裂。

 

溫度的“高”或“低”是相對該金屬的熔點來講的，一般采用約比溫度T/T_m（T_m表示材料熔點），T/T_m＞0.4~0.5，則算是高溫。

 

民用機接近1500℃，軍用機在2000℃左右，航天器的局部工作溫度可達2500℃

 

6.2 影響因素

溫度對材料的力學性能影響很大。在高溫下載荷持續(xù)時間對力學性能也有很大影響。

材料的高溫力學性能≠室溫力學性能

一般隨溫度升高，金屬材料的強度降低而塑性增加。

載荷持續(xù)時間的影響：σ< σ_s ，長期使用過程中，會產(chǎn)生蠕變 ，可能最終導致斷裂；隨載荷持續(xù)時間的延長，高溫下鋼的抗拉強度降低；在高溫短時拉伸時，材料的塑性增加；但在長時載荷作用下，金屬材料的塑性卻顯著降低，缺口敏感性增加，往往呈現(xiàn)脆性斷裂；溫度和時間的聯(lián)合作用還影響材料的斷裂路徑。

 

 

溫度升高時，晶粒強度和晶界強度均會降低，但是由于晶界上原子排列不規(guī)則，擴散容易通過晶界進行，因此，晶界強度下降較快。

晶粒與晶界兩者強度相等的溫度稱為“等強溫度”T_E。

當材料在T_E以上工作時，材料的斷裂方式由常見的穿晶斷裂過渡到晶間斷裂。材料的T_E不是固定不變的，變形速率對它有較大影響。因晶界強度對形變速率敏感性比晶粒大得多，因此T_E隨變形速度增加而升高。

綜上所述，研究材料在高溫下的力學性能，必須加入溫度和時間兩個因素。

 

6.3 蠕變現(xiàn)象

金屬在長時間恒溫、恒載荷（即使應力小于該溫度下的屈服強度）作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。

由蠕變變形導致的材料的斷裂，稱為蠕變斷裂。

蠕變在低溫下也會產(chǎn)生，但只有當約比溫度大于0.3時才比較顯著。如碳鋼超過300℃、合金鋼超過400℃時就必須考慮蠕變的影響。

同種材料的蠕變曲線隨應力的大小和溫度的高低而不同。

典型的蠕變曲線

第一階段ab為減速蠕變階段又稱過渡蠕變階段，這一階段開始的蠕變速率很大，隨著時間延長蠕變速率逐漸減小，到b點蠕變速率達到最小值；

第二階段bc為恒速蠕變階段又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段，這一階段的特點是蠕變速率幾乎保持不變。一般所指的金屬蠕變速率，就是以這一階段的蠕變速率ε表示的。

第三階段cd為加速蠕變階段隨著時間的延長，蠕變速率逐漸增大，到d點時產(chǎn)生蠕變斷裂。

 

應力、溫度不同的蠕變曲線變化圖

由圖可見，當應力較小或溫度較低時，蠕變第二階段持續(xù)時間較長，甚至可能不產(chǎn)生第三階段；相反，應力較大或溫度較高時，蠕變第二階段很短，甚至完全消失，試樣很短時間內(nèi)斷裂。

 

6.4 蠕變斷裂斷口特征

 

斷口宏觀特征

 

斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋（斷裂機件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象）；

高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。

 

斷口微觀特征

冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌

 

6.5 性能指標及測定

材料的蠕變性能常采用蠕變極限、持久強度、松弛穩(wěn)定性等力學性能指標。

6.5.1 蠕變極限

蠕變極限是金屬材料在高溫長時載荷作用下的塑性變形抗力指標，是高溫材料、設(shè)計高溫下服役機件的主要依據(jù)之一。

蠕變極限（MPa）表示方法有兩種，一種是在規(guī)定溫度下，使試樣在規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力；一種是在規(guī)定溫度和時間下，使試樣在規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定蠕變伸長率的最大應力。

 

示例1表示在溫度為500℃、穩(wěn)態(tài)蠕變速率為1×10-5%/h時該材料的蠕變極限為80MPa；

示例2表示在溫度為500℃、10萬小時、蠕變伸長率為1%時該材料的蠕變極限為100 MPa。

 

蠕變測試設(shè)備及示意圖

在同一 溫度、不同應力條件下進行蠕變試驗，測出不少于4條蠕變曲線，根據(jù)測定結(jié)果作出蠕變曲線，曲線上直線部分的斜率即是蠕變速率；

根據(jù)獲得的應力-蠕變速率數(shù)據(jù)，在對數(shù)坐標上作出關(guān)系曲線；

可采用較大的應力，以較短的試驗時間作出幾條蠕變曲線，根據(jù)所測定的蠕變速率，用內(nèi)插法或外推法求出規(guī)定蠕變速率的應力值，即得到蠕變極限。

同一溫度下，蠕變第二階段應力σ與穩(wěn)態(tài)蠕變速率ε之間，在雙對數(shù)坐標中呈線性經(jīng)驗關(guān)系。

S-590合金的σ- ε曲線

(20.0% Cr, 19.4 %Ni, 19.3%Co, 4.0%W, 4.0%Nb, 3.8%Mo, 1.35%Mn, 0.43%C)

 

6.5.2 持久強度

持久強度是指材料在高溫長時載荷作用下抵抗斷裂的能力，即材料在一定溫度和時間條件下，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應力（蠕變極限指材料的變形抗力，持久強度表示材料的斷裂抗力）。

某些材料與機件，蠕變變形很小，只要求在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂（如鍋爐的過熱蒸汽管）。這時，就要用持久強度作為評價材料、機件使用的主要依據(jù)。

 

 

S-590合金持久強度曲線

金屬材料的持久強度是通過做高溫拉伸持久試驗測定的；

試驗過程中，不需要測定試樣的伸長量，只要測定試樣在規(guī)定溫度和一定應力作用下直至斷裂的時間；

對于設(shè)計壽命較長（數(shù)萬~數(shù)十萬小時以上）的機件，長時間試驗十分困難，所以一般作出應力較大、斷裂時間較短的試驗數(shù)據(jù)，采用外推法求出材料的持久強度。

外推經(jīng)驗公式：t=Aσ^-B

(t—斷裂時間，σ—應力，A、B—與試驗溫度及材料有關(guān)的常數(shù))

對上面公式取對數(shù)，得到：

logt=logA-Blogσ

作出logt-logσ圖，由直線關(guān)系可從斷裂時間短的數(shù)據(jù)，外推到長時間的持久強度。

 

6.5.3 剩余應力

材料在恒變形條件下，隨著時間的延長，彈性應力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應力松弛。

金屬材料抵抗應力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，可以通過應力松弛試驗測定的應力松弛曲線來評定。

剩余應力是評定金屬材料應力松弛穩(wěn)定性的指標。

剩余應力越高，松弛溫度性越好。

應力松弛曲線

第1階段：開始階段應力下降很快；

第2階段：應力下降逐漸減緩的階段；

松弛極限：在一定的初應力和溫度下，不再繼續(xù)發(fā)生松弛的剩余應力。

 

6.5.4 高溫力學性能的影響因素

由蠕變變形和斷裂機理可知，要提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速率；提高持久強度，則必須控制晶界的滑動和空位擴散。

高溫力學性能的影響因素：化學成分、冶煉工藝、熱處理工藝、晶粒度。

 合金化學成分的影響  

耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點高、自擴散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。熔點越高的金屬（Cr、W、Mo、Nb），自擴散越慢；
 

層錯能低，易形成擴展位錯，位錯難以交滑移、攀移；

彌散相能強烈阻礙位錯的滑移、攀移；

能增加晶界擴散激活能的添加元素（如硼及稀土），既能阻礙晶界滑動，又增大晶界裂紋的表面能；

面心立方結(jié)構(gòu)的材料比體心立方結(jié)構(gòu)的高溫強度大。

 

 冶煉工藝的影響  

降低夾雜物和冶金缺陷的含量；

通過定向凝固工藝，減少橫向晶界，提高持久強度，因為在橫向晶界上容易產(chǎn)生裂紋。

 

 熱處理工藝的影響  

珠光體耐熱鋼一般采用正火＋高溫回火工藝?；鼗饻囟葢哂谑褂脺囟?00~150℃以上，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性；

奧氏體耐熱鋼或合金一般進行固溶和時效處理，使之得到適當?shù)木Я６?，并改善強化相的分布狀態(tài)；

采用形變熱處理改變晶界形狀（形成鋸齒狀），并在晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界，可使合金進一步強化。

 

 晶粒度的影響  

晶粒大小：使用溫度＜等強溫度時，細晶粒鋼有較高的強度，反之使用溫度＞等強溫度時，粗晶粒鋼有較高的蠕變抗力與持久強度；

晶粒度不均勻：在大小晶粒交界處出現(xiàn)應力集中，裂紋就易于在此產(chǎn)生而引起過早的斷裂。

 

6.6 相關(guān)標準

來源：財易通