材料在高温条件下的力学性能
 
1.1 概述
高温下金属及合金中出现的扩散、回复、再结晶等现象,会使其组织发生变化。金属材料长时间暴露在高温下,也会使其性能受到破坏。
 
在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机、化工设备中高温高压管道等设备中,很多机件长期在高温下服役。对于这类机件的材料,只考虑常温短时静载时的力学性能还不够。
如化工设备中高温高压管道,虽然承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度,但在长期使用过程中会产生连续的塑性变形,使管径逐步增大,甚至会导致管道破裂。
 
温度的是相对该金属的熔点来讲的,一般采用约比温度T/TmTm表示材料熔点),T/Tm0.4~0.5,则算是高温。

 
民用机接近1500℃,军用机在2000℃左右,航天器的局部工作温度可达2500℃
 
1.2 影响因素
温度对材料的力学性能影响很大。在高温下载荷持续时间对力学性能也有很大影响。
材料的高温力学性能室温力学性能
一般随温度升高,金属材料的强度降低而塑性增加。
载荷持续时间的影响:σ< σs ,长期使用过程中,会产生蠕变 ,可能最终导致断裂;随载荷持续时间的延长,高温下钢的抗拉强度降低;在高温短时拉伸时,材料的塑性增加;但在长时载荷作用下,金属材料的塑性却显著降低,缺口敏感性增加,往往呈现脆性断裂;温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路径。
 
温度升高时,晶粒强度和晶界强度均会降低,但是由于晶界上原子排列不规则,扩散容易通过晶界进行,因此,晶界强度下降较快。
晶粒与晶界两者强度相等的温度称为等强温度”TE
当材料在TE以上工作时,材料的断裂方式由常见的穿晶断裂过渡到晶间断裂。材料的TE不是固定不变的,变形速率对它有较大影响。因晶界强度对形变速率敏感性比晶粒大得多,因此TE随变形速度增加而升高。
综上所述,研究材料在高温下的力学性能,必须加入温度和时间两个因素。
 
1.3 蠕变现象
金属在长时间恒温、恒载荷(即使应力小于该温度下的屈服强度)作用下缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。
由蠕变变形导致的材料的断裂,称为蠕变断裂
蠕变在低温下也会产生,但只有当约比温度大于0.3时才比较显著。如碳钢超过300℃、合金钢超过400℃时就必须考虑蠕变的影响。
同种材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同。
典型的蠕变曲线
第一阶段ab为减速蠕变阶段又称过渡蠕变阶段,这一阶段开始的蠕变速率很大,随着时间延长蠕变速率逐渐减小,到b点蠕变速率达到最小值;
第二阶段bc为恒速蠕变阶段又称稳态蠕变阶段,这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变。一般所指的金属蠕变速率,就是以这一阶段的蠕变速率ε表示的。
第三阶段cd为加速蠕变阶段随着时间的延长,蠕变速率逐渐增大,到d点时产生蠕变断裂。
应力、温度不同的蠕变曲线变化图
由图可见,当应力较小或温度较低时,蠕变第二阶段持续时间较长,甚至可能不产生第三阶段;相反,应力较大或温度较高时,蠕变第二阶段很短,甚至完全消失,试样很短时间内断裂。
 
1.4 蠕变断裂断口特征
 
断口宏观特征
断口附近产生塑性变形,在变形区附近有很多裂纹(断裂机件表面出现龟裂现象);
高温氧化,断口表面被一层氧化膜所覆盖。
 
断口微观特征
冰糖状花样的沿晶断裂形貌
 
1.5 性能指标及测定
材料的蠕变性能常采用蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等力学性能指标。
1.5.1 蠕变极限
蠕变极限是金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标,是高温材料、设计高温下服役机件的主要依据之一。
蠕变极限(MPa)表示方法有两种,一种是在规定温度下,使试样在规定时间内产生规定稳态蠕变速率的最大应力;一种是在规定温度和时间下,使试样在规定时间内产生规定蠕变伸长率的最大应力。
示例1表示在温度为500℃、稳态蠕变速率为1×10-5%/h时该材料的蠕变极限为80MPa
示例2表示在温度为500℃10万小时、蠕变伸长率为1%时该材料的蠕变极限为100 MPa
 
蠕变测试设备及示意图
在同一 温度、不同应力条件下进行蠕变试验,测出不少于4条蠕变曲线,根据测定结果作出蠕变曲线,曲线上直线部分的斜率即是蠕变速率;
根据获得的应力-蠕变速率数据,在对数坐标上作出关系曲线;
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率,用内插法或外推法求出规定蠕变速率的应力值,即得到蠕变极限。
同一温度下,蠕变第二阶段应力σ与稳态蠕变速率ε之间,在双对数坐标中呈线性经验关系。
S-590合金的σ- ε曲线
(20.0% Cr, 19.4 %Ni, 19.3%Co, 4.0%W, 4.0%Nb, 3.8%Mo, 1.35%Mn, 0.43%C)
 
1.5.2 持久强度
持久强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力,即材料在一定温度和时间条件下,不发生蠕变断裂的最大应力(蠕变极限指材料的变形抗力,持久强度表示材料的断裂抗力)。
某些材料与机件,蠕变变形很小,只要求在使用期内不发生断裂(如锅炉的过热蒸汽管)。这时,就要用持久强度作为评价材料、机件使用的主要依据。
 
 
S-590合金持久强度曲线
金属材料的持久强度是通过做高温拉伸持久试验测定的;
试验过程中,不需要测定试样的伸长量,只要测定试样在规定温度和一定应力作用下直至断裂的时间;
对于设计寿命较长(数万~数十万小时以上)的机件,长时间试验十分困难,所以一般作出应力较大、断裂时间较短的试验数据,采用外推法求出材料的持久强度。
外推经验公式:t=Aσ-B
(t—断裂时间,σ—应力,AB—与试验温度及材料有关的常数)
对上面公式取对数,得到:
logt=logA-Blogσ
作出logt-logσ图,由直线关系可从断裂时间短的数据,外推到长时间的持久强度。
 
1.5.3 剩余应力
材料在恒变形条件下,随着时间的延长,弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。
金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性,可以通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。
剩余应力是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。
剩余应力越高,松弛温度性越好
应力松弛曲线
1阶段:开始阶段应力下降很快;
2阶段:应力下降逐渐减缓的阶段;
松弛极限:在一定的初应力和温度下,不再继续发生松弛的剩余应力。
 
1.5.4 高温力学性能的影响因素
由蠕变变形和断裂机理可知,要提高蠕变极限,必须控制位错攀移的速率;提高持久强度,则必须控制晶界的滑动和空位扩散。
高温力学性能的影响因素:化学成分、冶炼工艺、热处理工艺、晶粒度
合金化学成分的影响
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属及合金。熔点越高的金属(Cr、W、Mo、Nb),自扩散越慢;
层错能低,易形成扩展位错,位错难以交滑移、攀移;
弥散相能强烈阻碍位错的滑移、攀移;
能增加晶界扩散激活能的添加元素(如硼及稀土),既能阻碍晶界滑动,又增大晶界裂纹的表面能;
面心立方结构的材料比体心立方结构的高温强度大。
 
冶炼工艺的影响
降低夹杂物和冶金缺陷的含量;
通过定向凝固工艺,减少横向晶界,提高持久强度,因为在横向晶界上容易产生裂纹。
 
热处理工艺的影响
珠光体耐热钢一般采用正火+高温回火工艺。回火温度应高于使用温度100~150℃以上,以提高其在使用温度下的组织稳定性;
奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶和时效处理,使之得到适当的晶粒度,并改善强化相的分布状态;
采用形变热处理改变晶界形状(形成锯齿状),并在晶内形成多边化的亚晶界,可使合金进一步强化。
 
晶粒度的影响
晶粒大小:使用温度<等强温度时,细晶粒钢有较高的强度,反之使用温度>等强温度时,粗晶粒钢有较高的蠕变抗力与持久强度;
晶粒度不均匀:在大小晶粒交界处出现应力集中,裂纹就易于在此产生而引起过早的断裂。
 
1.6 相关标准
 

Copyright © 2016.济南鑫光试验机制造有限公司 鲁ICP备13029094号-3 营业执照信息公示