金属材料的高温机械性能

做过锅炉管业务的朋友都知道，锅炉钢管分低温用管，常温用管，和高温用管，今天我们就来聊聊金属材料的高温机械性能。

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300～350℃，合金钢超过400～450℃发生（这就是为什么，有些高温锅炉管要使用合金钢）
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，τ1，ε1
bc第2阶段，稳定阶段，等速阶段τ2，ε2
cd第3阶段，最后阶段，加速阶段τ3，ε3，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）       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τ而断裂时所能承受的最大应力

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

（3）       热处理

奥氏体化温度d，回火温度a

6.5.  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.  C

<>高温强度随碳增加而增加

不同钢种有最佳值。

6.5.1.2.  其它合金元素影响

Mo可提高材料高温强度

V,Nb,Ti可强烈形成碳化物，在钢中形成弥散分布的沉淀相，有良好强化效果。

P强化晶界

（1）       每种合金元素的作用与其质量分数不成正比，往往有一最佳值。

（2）       每种合金元素的质量分数越高，则单位质量分数所引起的作用越小。因而多元素，少质量分数的钢种有良好的高温性能

6.5.2.        冶炼方法

钢中气体量，晶界处的偏析，夹渣对钢高温性能影响大。

减小有害元素，选择适当的冶炼方法

6.5.3.        金属材料的组织结构

6.5.3.1.  碳化物形状分布

片状弥散分布热强性好，球状聚集不好

6.5.3.2.  晶粒度

常温下， 细晶粒具有高强度

高温下细晶则易蠕变， 此时有个最佳值

6.5.4.        热处理方法

热处理后，在常温下使用，不发生组织变化，可行

而在高温下，不稳定的结构组织将发生变化，使高温性能变坏。

6.5.5.        温度波动对钢材高温强度的影响

温度对钢和的高温强度影响，主要有2方面

（1）       温度的波动使实际温度高于规定温度

（2）       附加热应力

6.6. 金属材料的松驰

6.6.1.        金属材料的松驰特性

松驰：金属材料在高温和应力状态下，如果维持总变形量不变，随着时间的延长，应力逐渐降低的现象。

如果总变形量不变，弹性变形转变为塑性变形应力松驰分2阶段，

第1阶段应力随时间急剧降低，第2阶段应力下降缓慢并趋向恒定。恒定值为松驰极限。因为松驰极限小，通常不用它来评定材料的抗松驰能力，而用一定时间内，材料中应力的降低值 来表征材料抗松驰性能。

松驰稳定系数S0，不考虑初应力，更合理。a

6.6.2.        松驰的塑性应变速度

低碳钢只与应力有关

合金钢在第1阶段与应力和总应变有关，第2阶段，只与应力有关。

6.6.3.        再紧固对松驰的影响

在动力装置上，常采用法兰螺栓联接，为了保证联接的紧密性，使用一定时间后要再次紧固。

单纯松驰与再紧固松驰见下图:

6.6.4.        应力松驰与蠕变的关系

松驰与蠕变有差别也有联系

差别：蠕变是恒定应力下，塑性变形随时间的延长而不断增加的过程；松驰是恒定变形下，应力随时间的延长不断降低过程，此时塑性变形的增加是与弹性变形的减小等量同时发生。

联系：本质相同，松驰也可看作是应力不断降低时的多级蠕变。