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      一文了解金屬材料的高溫力學性能


      在航空航天、能源和化工等工業領域,許多機件是在高溫下長期服役的,如發動機、鍋爐、煉油設備等,它們對材料的高溫力學性能提出了很高的要求。正確地評價材料、合理地使用材料、研究新的耐高溫材料,稱為上述工業發展和材料科學研究的主要任務之一。

      1、高溫下工作的金屬材料

      在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機、柴油機、航空發動機、化工設備中高溫高壓管道等設備中,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是不夠的。

      例如:民用機接近1500℃,軍用機在2000℃在右,而航天器的局部工作溫度則可以達2500℃。

      2、溫度、時間對材料性能的影響

      溫度對材料的力學性能影響很大;在高溫下載荷持續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

      1)、溫度的影響

      一般隨溫度升高,金屬材料的強度降低而塑性增加。

      2)、載荷持續時間的影響

      >σ<os,長期使用過程中,會產生蠕變,可能最終導致斷裂;

      隨載荷持續時間的延長,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,往往呈現脆性斷裂;溫度和時間的聯合作用還影響材料的斷裂路徑。

      3)、等強溫度

      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。

      當材料在T;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。 image.png

      材料的T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。

      3、金屬材料的蠕變現象

      (1)、蠕變的定義

      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)作用下緩慢地產生塑性變形的現象稱為蠕變。

      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。

      (2)、金屬的蠕變過程

       image.png

      第一階段ab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恒速蠕變階段

      又稱穩態蠕變階段,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點時產生蠕變斷裂。

      同種材料的蠕變曲線隨應力的大小和溫度的高低而不同。

      image.png

       上圖分別是應力、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,蠕變第二階段持續時間較長,甚至可能不產生第三階段;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,試樣很短時間內斷裂。

      4、蠕變變形機理

      金屬的蠕變變形主要是通過位錯滑移、原子擴散、晶界滑動等機理進行的。各種機理對蠕變的作用隨溫度及應力的變化而有所不同。

      1)、位錯滑移蠕變

      在常溫下,若滑移面上的位錯運動受阻產生塞積,滑移便不能繼續進行,只有在更大的切應力作用下,才能使位錯重新運動和增殖;

      但在高溫下,位錯可借助于外界提供的熱激活能和空位擴散來克服某些短程障礙,從而使形變不斷產生。

      image.png

      (2)、擴散蠕變

      這種晶體內空位從受拉晶界向受壓晶界遷移,原子朝反方向運動,使得晶體伸長的蠕變,稱為擴散蠕變。

      image.png

      (3)、晶界滑動蠕變

      image.png

      5、蠕變斷裂機理

      蠕變斷裂機理有兩種典型模式:

      ◆T<T時,晶界滑動和應力集中模型;

      ◆T>T時,空位集中模型。

      Tg;等強溫度,此時晶內強度等于晶界強度

      蠕變斷裂同樣有三個階段

      image.png

       對于蠕變斷裂來說,斷裂的主要形式是沿晶斷裂,而裂紋萌生的方式,根據不同的溫度和應力條件,主要有兩種:

      裂紋萌生方式:

      A、裂紋在三晶粒交匯處形成

      B、空洞在晶界上聚集形成裂紋

      image.png

       image.png

      耐熱合金鋼中的楔形裂紋

      B、空洞在晶界上聚集形成裂紋

      image.png 

       6、蠕變斷裂斷口特征

      斷口宏觀特征

      image.png 

      斷口附近產生塑性變形,在變形區附近有很多裂紋(斷裂機件表面出現龜裂現象);

      高溫氧化,斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。

      斷口微觀特征

      image.png 

      呈冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌

       

      7、蠕變極限

      與常溫下的屈服強度類似,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。

      兩種表達方式

      一種是在規定溫度(T)下,使試樣在規定時間內產生規定穩態蠕變速率8的最大應力。

      image.png 

      表示在溫度為500℃、穩態蠕變速率為1×10-5%/h時該材料的蠕變極限為80MPa。

       

      一種是在規定溫度(T)和時間(t)下,使試樣在規定時間內產生規定蠕變伸長率(8)的最大應力。

      image.png 

      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100MPa。

        

      8、蠕變極限的測定

      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,根據測定結果作出蠕變曲線,曲線上直線部分的斜率即是蠕變速率;

      根據獲得的應力一蠕變速率數據,在對數坐標上作出關系曲線;

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

      image.png 

       

      外推法

      同一溫度下,蠕變第二階段應力σ與穩態蠕變速率ε之間,在雙對數坐標中呈線性經驗關系。

      image.png 

      其中A、n均為常數。

      image.png 

       

      9、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,不發生蠕變斷裂的最大應力。

      image.png 

      表示材料在600℃下工作1000h的持久強度為200MPa。

      某些材料與機件,蠕變變形很小,只要求在使用期內不發生斷裂(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。

       

      10、持久強度的測定

      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,只要測定試樣在規定溫度和一定應力作用下直至斷裂的時間;對于設計壽命較長(數萬~數十萬小時以上)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據,采用外推法求出材料的持久強度。image.png

      對上面公式取對數,得到:

      logt=logA-Blogσ

      作出logt-logo圖,由直線關系可從斷裂時間短的數據,外推到長時間的持久強度

      image.png 

       

      11、剩余應力

      應力松弛

      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象稱為應力松弛。

      松弛穩定性

      金屬材料抵抗應力松弛的性能稱為松弛穩定性,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

      剩余應力是評定金屬材料應力松弛穩定性的指標。

      image.png 

       

       12、影響高溫力學性能的因素

      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。

      image.png 

       一、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、自擴散激活能大或層錯能低的金屬及合金。

      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;面心立方結構的材料比體心立方結構的高溫強度大。

      二、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生裂紋。

      三、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100~150℃以上,以提高其在使用溫度下的組織穩定性;

      奧氏體耐熱鋼或合金一般進行固溶和時效處理,使之得到適當的晶粒度,并改善強化相的分布狀態;

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

      四、晶粒度的影響

      晶粒大。菏褂脺囟<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應力集中,裂紋就易于在此產生而引起過早的斷裂。

      13、高溫力學性能相關標準

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