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材料在高溫條件下的力學(xué)性能

 

6.1 概述

高溫下金屬及合金中出現(xiàn)的擴(kuò)散、回復(fù)、再結(jié)晶等現(xiàn)象，會(huì)使其組織發(fā)生變化。金屬材料長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下，也會(huì)使其性能受到破壞。

 

在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、化工設(shè)備中高溫高壓管道等設(shè)備中，很多機(jī)件長(zhǎng)期在高溫下服役。對(duì)于這類(lèi)機(jī)件的材料，只考慮常溫短時(shí)靜載時(shí)的力學(xué)性能還不夠。

如化工設(shè)備中高溫高壓管道，雖然承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度，但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，使管徑逐步增大，甚至?xí)?dǎo)致管道破裂。

 

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

 

民用機(jī)接近1500℃，軍用機(jī)在2000℃左右，航天器的局部工作溫度可達(dá)2500℃

 

6.2 影響因素

溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響很大。在高溫下載荷持續(xù)時(shí)間對(duì)力學(xué)性能也有很大影響。

材料的高溫力學(xué)性能≠室溫力學(xué)性能

一般隨溫度升高，金屬材料的強(qiáng)度降低而塑性增加。

載荷持續(xù)時(shí)間的影響：σ< σ_s ，長(zhǎng)期使用過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生蠕變 ，可能最終導(dǎo)致斷裂；隨載荷持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，高溫下鋼的抗拉強(qiáng)度降低；在高溫短時(shí)拉伸時(shí)，材料的塑性增加；但在長(zhǎng)時(shí)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(shí)間的聯(lián)合作用還影響材料的斷裂路徑。

 

 

溫度升高時(shí)，晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度均會(huì)降低，但是由于晶界上原子排列不規(guī)則，擴(kuò)散容易通過(guò)晶界進(jìn)行，因此，晶界強(qiáng)度下降較快。

晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的溫度稱(chēng)為“等強(qiáng)溫度”T_E。

當(dāng)材料在T_E以上工作時(shí)，材料的斷裂方式由常見(jiàn)的穿晶斷裂過(guò)渡到晶間斷裂。材料的T_E不是固定不變的，變形速率對(duì)它有較大影響。因晶界強(qiáng)度對(duì)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(xué)性能，必須加入溫度和時(shí)間兩個(gè)因素。

 

6.3 蠕變現(xiàn)象

金屬在長(zhǎng)時(shí)間恒溫、恒載荷（即使應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)度）作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變。

由蠕變變形導(dǎo)致的材料的斷裂，稱(chēng)為蠕變斷裂。

蠕變?cè)诘蜏叵乱矔?huì)產(chǎn)生，但只有當(dāng)約比溫度大于0.3時(shí)才比較顯著。如碳鋼超過(guò)300℃、合金鋼超過(guò)400℃時(shí)就必須考慮蠕變的影響。

同種材料的蠕變曲線隨應(yīng)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(chēng)過(guò)渡蠕變階段，這一階段開(kāi)始的蠕變速率很大，隨著時(shí)間延長(zhǎng)蠕變速率逐漸減小，到b點(diǎn)蠕變速率達(dá)到最小值；

第二階段bc為恒速蠕變階段又稱(chēng)穩(wěn)態(tài)蠕變階段，這一階段的特點(diǎn)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(shí)間的延長(zhǎng)，蠕變速率逐漸增大，到d點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生蠕變斷裂。

 

應(yīng)力、溫度不同的蠕變曲線變化圖

由圖可見(jiàn)，當(dāng)應(yīng)力較小或溫度較低時(shí)，蠕變第二階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，甚至可能不產(chǎn)生第三階段；相反，應(yīng)力較大或溫度較高時(shí)，蠕變第二階段很短，甚至完全消失，試樣很短時(shí)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(jī)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(biāo)及測(cè)定

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

6.5.1 蠕變極限

蠕變極限是金屬材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)，是高溫材料、設(shè)計(jì)高溫下服役機(jī)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(shí)間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力；一種是在規(guī)定溫度和時(shí)間下，使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定蠕變伸長(zhǎng)率的最大應(yīng)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(shí)該材料的蠕變極限為80MPa；

示例2表示在溫度為500℃、10萬(wàn)小時(shí)、蠕變伸長(zhǎng)率為1%時(shí)該材料的蠕變極限為100 MPa。

 

蠕變測(cè)試設(shè)備及示意圖

在同一 溫度、不同應(yīng)力條件下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)出不少于4條蠕變曲線，根據(jù)測(cè)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(yīng)力-蠕變速率數(shù)據(jù)，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作出關(guān)系曲線；

可采用較大的應(yīng)力，以較短的試驗(yàn)時(shí)間作出幾條蠕變曲線，根據(jù)所測(cè)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(yīng)力值，即得到蠕變極限。

同一溫度下，蠕變第二階段應(yīng)力σ與穩(wěn)態(tài)蠕變速率ε之間，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈線性經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)度

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

某些材料與機(jī)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(guò)熱蒸汽管）。這時(shí)，就要用持久強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)材料、機(jī)件使用的主要依據(jù)。

 

 

S-590合金持久強(qiáng)度曲線

金屬材料的持久強(qiáng)度是通過(guò)做高溫拉伸持久試驗(yàn)測(cè)定的；

試驗(yàn)過(guò)程中，不需要測(cè)定試樣的伸長(zhǎng)量，只要測(cè)定試樣在規(guī)定溫度和一定應(yīng)力作用下直至斷裂的時(shí)間；

對(duì)于設(shè)計(jì)壽命較長(zhǎng)（數(shù)萬(wàn)~數(shù)十萬(wàn)小時(shí)以上）的機(jī)件，長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)十分困難，所以一般作出應(yīng)力較大、斷裂時(shí)間較短的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用外推法求出材料的持久強(qiáng)度。

外推經(jīng)驗(yàn)公式：t=Aσ^-B

(t—斷裂時(shí)間，σ—應(yīng)力，A、B—與試驗(yàn)溫度及材料有關(guān)的常數(shù))

對(duì)上面公式取對(duì)數(shù)，得到：

logt=logA-Blogσ

作出logt-logσ圖，由直線關(guān)系可從斷裂時(shí)間短的數(shù)據(jù)，外推到長(zhǎng)時(shí)間的持久強(qiáng)度。

 

6.5.3 剩余應(yīng)力

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

金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱(chēng)為松弛穩(wěn)定性，可以通過(guò)應(yīng)力松弛試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力松弛曲線來(lái)評(píng)定。

剩余應(yīng)力是評(píng)定金屬材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。

剩余應(yīng)力越高，松弛溫度性越好。

應(yīng)力松弛曲線

第1階段：開(kāi)始階段應(yīng)力下降很快；

第2階段：應(yīng)力下降逐漸減緩的階段；

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

 

6.5.4 高溫力學(xué)性能的影響因素

由蠕變變形和斷裂機(jī)理可知，要提高蠕變極限，必須控制位錯(cuò)攀移的速率；提高持久強(qiáng)度，則必須控制晶界的滑動(dòng)和空位擴(kuò)散。

高溫力學(xué)性能的影響因素：化學(xué)成分、冶煉工藝、熱處理工藝、晶粒度。

 合金化學(xué)成分的影響  

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

層錯(cuò)能低，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)，位錯(cuò)難以交滑移、攀移；

彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)的滑移、攀移；

能增加晶界擴(kuò)散激活能的添加元素（如硼及稀土），既能阻礙晶界滑動(dòng)，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(qiáng)度大。

 

 冶煉工藝的影響  

降低夾雜物和冶金缺陷的含量；

通過(guò)定向凝固工藝，減少橫向晶界，提高持久強(qiáng)度，因?yàn)樵跈M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?yīng)高于使用溫度100~150℃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(jìn)行固溶和時(shí)效處理，使之得到適當(dāng)?shù)木Я６?，并改善?qiáng)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(jìn)一步強(qiáng)化。

 

 晶粒度的影響  

晶粒大?。菏褂脺囟龋嫉葟?qiáng)溫度時(shí)，細(xì)晶粒鋼有較高的強(qiáng)度，反之使用溫度＞等強(qiáng)溫度時(shí)，粗晶粒鋼有較高的蠕變抗力與持久強(qiáng)度；

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

 

6.6 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

來(lái)源：財(cái)易通