材料的高温性能介绍

1、高温下承载材料的机械性能与室温承载材料有很大区别：比如(1)强度降低，在不同温度下进行金属材料的静拉伸试验时，可以发现，随着试验温度的升高，屈服平台消失，而且材料所能承受的 最大载荷也降低。图(2)塑性增大。在高温条件下，影响材料机械性能的因素增多，不仅温度有影响，应变速度，断裂所需时间也有影响。6.1.金属材料的蠕变形象6.1.1.蠕变现象蠕变：金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形。碳素钢超过300350C,合金钢超过400450C发生蠕变曲线：三个阶段oa开始部分，加载引起的瞬时变形ab第1阶段，速度大，不稳定阶段，减速阶段，“ 1,1bc第2阶段，稳定阶段，等速阶段“

2、 2,2cd第3阶段，最后阶段，加速阶段“ 3,3,不能计入元件寿命期。6.1.2.蠕变曲线的表示方式数学模型，主要表示第一阶段和第二阶段蠕变条件下蠕变速度随时间变化可用下式来表示其中A, n为外界条件与材料性质的常数第一阶段两种式子第二阶段6.1.3.金属材料在蠕变中的组织变化6.1.3.1.滑移整个蠕变过程中，有滑移产生6.1.3.2.亚晶形成晶粒变形不均匀破裂，形成亚晶6.1.3.3.晶界形变晶界也参与形变，有时高达40-50%6.1.4.金属材料的蠕变理论蠕变是在一定的温度和应力作用下发生的，与原子热运动有关。原子热运动作用大致有两方面：(1)是在应力作用下原子直接大量地定向扩散(2)

3、协助受阻位错克服障碍重新运动一方面形变硬化，一方面回复6.1.5,金属材料的蠕变断裂机理金属材料蠕变断裂分2种：晶间和穿晶穿晶：有大量塑性变形，韧性，高应力，低温晶间：塑性变形小，脆性，低应力，高温等强度温度概念两种理论：楔形蠕变裂纹(三晶交界处应力集中，穿晶)，空洞形(空洞在三晶交界处汇集，晶间)6.2.金属材料的高温强度6.2.1.条件蠕变极限根据不同的需要有2种(1)给定温度下，引起规定变形速度的应力值(2)一定工作温度下，在规定时间内，使试件发生一定量总变形时的应力值6.2.2.高温持久强度在给定温度下，经过一定时间而断裂时所能承受的最大应力。表示材料在温度t经过“而断裂时所能承受的最

4、大应力与蠕变区别：蠕变考虑变形为主，高温持久强度主要考虑材料在长期使用下的破坏抗力。6.3.蠕变和持久强度的推测方法必须进行长期试验，应用外推方法，可大大缩短时间。外推法：(1)总结金属材料试验数据，找出经验关联式，用以外推(2)从微观出发，建立应力，温度和断裂时间的关系式。等温线法：在同一试验温度下，用较高温度应力进行短期试验数据。(加大强度)6.4.钢的持久塑性是高温条件下工作的重要指标之一。细小碳化物(Mo2C VC)在晶内析出，提高晶内强度，削弱晶界强度，形成低塑性的晶间断裂。影响因素(1)合金元素加入硼强化晶界，减小有害元素S等(2)金相组织珠光体-F贝氏体马氏体热处理奥氏体化温度d

5、,回火温度a6.5.影响材料高温强度性能的因素提高材料高温强度关键(1)使在蠕变变形过程中受到阻碍而堆积的位错不容易重新开始运动(2)大力强化晶界，避免晶间开裂6.5.1.化学成分6.5.1.1.C1.2的微小变化，却引起剩余寿命近10倍的变化，虽然通过研究分析证明， 对于10CrMo910主蒸汽管道，安全系数n已经能够取到1.2。但是，对于运行在不同的工作环境和状况的主蒸汽管道，这种降低安全系数的取值方法是否具有 统一的标准，还值得怀疑，即传统的等温直线法本身还不能够从理论上证明这是合理的。另一方面，安全系数取值的略微差异却造成剩余寿命评估巨大的变化， 使金属工作者无法从经验上去把握其合理性

6、。相反，利用可靠性的评价方法可以看出，即使安全系数n= 1.2，对于本例中的主蒸汽管，其可靠度依然能够保持在0.99610 ,即主蒸汽管道继续运行80000小时的失效概率仅为0.00390,其安全运行的可靠度是很高的，这与文献研究结果是一致的，而传统的寿命预测方法则保守得多。5.结论基于可靠性的寿命预测法以应力和强度为随机变量作为出发点，利用强度和应力干涉的概率，求解主蒸汽管的可靠度的评价方法具有以下特点和优点：（1）认识到蒸汽管道所受的应力和材料强度均非定值，而为随机变量，具有离散性质，必须用数学上的分布函数来描述，故所用的概率和统计方法预测主 蒸汽管的寿命也较传统方法更为准确和客观。（2）

7、可靠性的方法认为主蒸汽管的失效是一随机事件，只要这一事件不发生，管道就可继续运行，只不过随时间的增加，发生管道失效事件的概率增大而 已；传统的方法试图预测一具体的寿命值，在寿命值以下运行是安全的，超过此值即是危险的；两种方法相比较而言，可靠性方法更符合实际情况。（3）传统方法给出的寿命值往往精确到小时，但它没有给出置信度，这种预测是不精确（不可靠）的；可靠性评价考虑了实际过程中的随机性，以失效的概率为主要预报值，具有较传统方法更高的精确度。（4）可靠性方法以可靠度（失效概率）为主要判据与现在火电厂实行的可靠性管理有机地结合。按可靠性方法管道的寿命不是固定的，依所给的可靠度而定。即在全厂可靠性目

8、标确定后，系统可靠性分配将给主蒸汽管道一确定值，按此值即可求得管道的寿命需要说明的是，由于无法取到主蒸汽管的实际运行数据，或者目前有些理论的不完善性，在利用应力和持久强度的分布函数来计算主蒸汽管的可靠度时， 作了一些合理和必要的假设。实际上有些数据是非常容易取到和计算的，例如主蒸汽管运行的计算压力Pjs的分布参数，完全可以通过抽样统计主蒸汽管的压力记录得到真实的数据。而一方面，在主蒸汽管道的应力计算中，采用了现行的环向应力决定其蠕变寿命的假设，忽略了一些次要因素，可能会影响可靠性评 估的准确性。但总体上，可靠性评价考虑了实际过程中的随机性，是较为成功的。为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生

9、过量变形，要求金届材 料具有一定的蠕变极限。和常温下的屈服强度10.2相似，蠕变极限是高 温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。蠕变极限两种表示方法：1.在给定T下，使试样产生规定蠕变速度的应力值，以符号 公斤力/毫米2表示（其中为第二阶段蠕变速度，/小时）。在电站锅炉、汽轮机和燃气轮机制造中，规定的蠕变速度大多为1X 10-5%小时或1X 10-4%小时。 例如，=6公斤力/毫米2,表示在 温度为600C的条件下，蠕变速度为1X 10-5%小时的蠕变极限为6公斤力/毫米2。2.在给定温度（T）下和在规定的试验时间（t ,小时）内，使试样产生一定蠕变形量（a, %的应力值，以符号 公斤力/

10、毫米2表示。例如，=10公斤力/毫米2,就表示材料在500C温度下，10万 小时后变形量为1%勺蠕变极限为10公斤力/毫米2。试验时间及蠕变变形 量的具体数值是根据机件的工作条件来规定的。以上两种蠕变极限都需要试验到蠕变第二阶段若十时间后才能确定。3.两种蠕变极限在应变量之间有一定的关系。例如，以蠕变速度确 定蠕变极限时，当恒定蠕变速度为1X 10-5%、时，就相当于100, 000小 时的应变量为1%这与以应变量确定蠕变极限时的100, 000小时的应变量为1%目比，仅相差 （见图9-2）,但其差值其小，可忽略不计。 因此，就可认为两者所确定的应变量相等。同样，蠕变速度为1X 10-4%/小

11、时，应相当于10, 000小时的应变量为1%二、蠕变极限测定方法测定金届材料蠕变极限所采用的试验装置， 如图8- 11所示。试样的 蠕变试验用试样的形状、尺寸及制备方法、试验程序和操作方法等，可有 关国家标准的规定进行。现以第二阶段蠕变速度所定义蠕变极限为例，说明其测定的方法。1.在一定温度和不同的应力条件下进行蠕变试验。每个试样的试验 持续时间不少于20003000小时。根据所测定的应变量与时间的关系，作 出一组蠕变曲线。每一条蠕变曲线上直线部分的斜率，就是第二阶段恒定 蠕变速度。2.根据获得的不同应力条件下的恒定蠕变速度，在应力与蠕变速度的对数坐标上作出关系曲线。3.实验表明，在同一温度下

12、进行蠕变试验，其应力与蠕变速度的对 数值之间呈线性关系。因此，我们可采用较大的应力，以较短的试验时间 作出几条蠕变曲线，根据所测定的蠕变速度，用内插法或外推法求出规定 蠕变速度的应力值，即得到蠕变极限。三、持久强度及其测定方法蠕变极限表征了金届材料在高温长期载荷作用下对塑性变形的抗力， 但不能反映断裂时的强度及塑性。 与常温下的情况一样，材料在高温下的 变形抗力与断裂抗力是两种不同的性能指标。 因此，对于高温材料还必须 测定其在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力，即持久强度。金届材料的持久强度，是在给定温度（T）下，恰好使材料过规定时问（t）发生断裂的应力值，以 公斤力/毫米2来表示。这里所指的

13、 规定时间是以机组的设计寿命为依据。例如，对于锅炉、汽轮机等，机组 的设计寿命为数万以至数十万小时， 而航空喷气发动机则为一千或几白小 时。 某材料在700C承受300公斤力/毫米2的应力作用，经1, 000小时 后断裂，则称这种材料在700C、1, 000小时的持久强度 为30公斤力/毫米2,写成=30公斤力/毫米2。对于设计某些在高温运转过程中不考虑变形量的大小，而只考虑在承 受给定应力下使用寿命的机件来说，金届材料的持久强度是极其重要的性 能指标。金届材料的持久强度是通过做持久试验测定的。持久试验与蠕变试验 相似，但较为简单，一般不需要在试验过程中测定试样的伸长量， 只要测 定试样在给定

14、温度和一定应力作用下断裂时间。通过持久强度试验，测量试样在断裂后的伸长率及断面收缩率， 还能 反映出材料在高温下的持久塑性。持久塑性是衡量材料蠕变脆性的一项重 要指标，过低的持久塑性会使材料在使用中产生脆性断裂。实验表明，材料的持久塑性并不总是随载荷持续时间的延长而降低。因此，不能用外推法来确定持久塑性的数值。对于高温材料持久塑性的具体指标，还没有统一规定。制造汽轮机、燃气轮机紧固件用的低合金铭钳彻钢， 一般希望持 久塑性（伸长率）不小于35%以防止脆断。四、影响蠕变极限和持久强度的因素由蠕变断裂机理可知，要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错 攀移的速度；要提高断裂抗力，即提高持久强度，必

15、须抑制晶界的滑动， 也就是说要控制晶内和晶界的扩散过程。 这种扩散过程主要取决于合金的 化学成分，但乂同冶炼工艺、热处理工艺等因素密切相关。（一）合金化学成分的影响1.基体材料：耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、 自扩散激活 能大或层错能低的金届及合金。这是因为在一定温度下，熔点愈高的金届 自扩散愈慢；如果熔点相同但结构不同，则自扩散激活能愈高者，扩散愈 慢；堆垛层错能愈低者愈易产生扩展位错， 使位错难以产生割阶、交滑移 及攀移。这些都有利于降低蠕变速度。大多数面心立方结构金届的高温强 度比体心立方结构的高，这是一个重要原因。2.溶质元素： 在基体金届中加入铭、 车乌、16等合金元素形成单

16、相固溶 体，除产生固溶强化作用外，还因合金元素使层错能降低，易形成扩展位 错，以及溶质原子与溶剂原子的结合力较强， 增大了扩散激活能，从而提 高蠕变极限。一般来说，固溶元素的熔点愈高、其原子半径与溶剂的相差 愈大，对热强性提高愈有利。3.相：合金中如果含有弥散相,由于它能强烈阻碍位错的滑移与攀移,因而是提高高温强度更有效的方法。弥散相粒子硬度高、弥散度大、稳定 性高，则强化作用愈好。对时效强化合金，通常在基体中加入相同原子白 分数的合金元素的情况下，多种元素要比单一元素的效果好。在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素（如硼及稀土等），贝U既 能阻碍晶界滑动，乂增大晶界裂纹的表面能，因而对提高蠕

17、变极限，特别 是持久强度是很有效的。（二）冶炼工艺的影响1.各种耐热钢及其合金的冶炼工艺要求较高， 因为钢中的夹杂物和某 些冶金缺陷会使材料的持久强度降低。高温合金对杂质元素和气体含量要 求更加严格，常存杂质除硫、磷外，还有铅、锡、锦、锭等，即使其含量 只有十万分之几，当其在晶界偏聚后，会导致晶界严重弱化，而使热强性 急剧降低，加工塑性变坏。例如，对某些锐基合金的实验结果指出，经过真空冶炼后，由于铅的 含量由白万分之五降至白万分之二以下，其持久时间增长了一倍。2.由于高温合金使用中通常在垂直于应力方向的横向晶界上易产生 裂纹，因此，采用定向凝固工艺使柱状晶沿受力方向生长， 减少横向晶界, 从而

18、大大提高持久寿命。例如，某锐基合金采用定向凝固工艺后，在760C、66公斤力/毫米2应力作用下的断裂寿命可提高45倍。（三）热处理工艺的影响1.珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺正火温度应较高，以促使碳化物较充分而均匀地溶于奥氏体中。回火温度应高于使用温度100150C以上，以提高其在使用温度下的组织稳定性。2.奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理和时效， 使之得到适当的晶 粒度， 并改善强化相的分布状态。 有的合金在固溶处理后再进行一次中间 处理 （二次固溶处理或中间时效），使碳化物沿晶界呈断续链状析出，则 可使持久强度和持久塑性进一步提高。3.采用形变热处理改变晶界形状（形成锯齿状），并在晶内造成多边 化的业晶，则可使合金进一步强化。如GH38 GH7卵铁基合金采用