金屬高溫力學(xué)性能影響因素的分析與研究

陳黎(浙江賽福特特種設(shè)備檢測(cè)有限公司，浙江 杭州 310020)

金屬高溫力學(xué)性能影響因素的分析與研究

陳黎(浙江賽福特特種設(shè)備檢測(cè)有限公司，浙江 杭州 310020)

對(duì)于高壓蒸汽鍋爐、化工煉油設(shè)備、汽輪機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)等，其工作環(huán)境溫度非常高，則為了保證制造用金屬材料的安全，要求深入研究影響金屬高溫力學(xué)性能的因素。

金屬材料；高溫力學(xué)性能；影響因素

金屬材料是金屬元素或以金屬元素為主成分且具有金屬特性的材料統(tǒng)稱，比如純金屬、合金、特種金屬材料及金屬材料金屬間化合物等。目前，在高溫環(huán)境下使用的機(jī)件通常由金屬材料制成，但溫度會(huì)對(duì)金屬的力學(xué)性能產(chǎn)生重大影響，即在溫度升高后，金屬的強(qiáng)度下降、塑性增強(qiáng)；在高溫條件下，載荷的持續(xù)時(shí)間會(huì)對(duì)金屬的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。據(jù)此，為了提高金屬的力學(xué)性能及滿足實(shí)際需要，本文筆者主要探討影響金屬高溫力學(xué)性能的因素。

1 金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)

1.1 蠕變極限

所謂蠕變，指的是金屬長(zhǎng)時(shí)間在恒溫、恒載荷條件下出現(xiàn)的塑性變形現(xiàn)象。在低溫條件下，蠕變現(xiàn)象同樣會(huì)產(chǎn)生，通常在約比溫度＞0.3時(shí)較為明顯，其中約比溫度是試驗(yàn)溫度與金屬熔點(diǎn)絕對(duì)溫度的比值。例如，在合金鋼溫度＞400℃、碳鋼溫度＞300℃時(shí)，便需將蠕變的影響考慮其中。金屬的蠕變過程按蠕變速率分為減速、恒速、加速蠕變階段，其中減速蠕變階段的速率開始增大，但呈減速趨勢(shì)；恒速蠕變階段的速率基本不變；加速蠕變階段的速率逐漸增大，直至產(chǎn)生斷裂。為了防止金屬機(jī)件長(zhǎng)時(shí)間在高溫載荷條件下過量蠕變，規(guī)定金屬具有相應(yīng)的蠕變極限，其是金屬長(zhǎng)時(shí)間在高溫載荷條件下的塑性變形抗力指標(biāo)，具體可用下列方式表示：一是在溫度t一定時(shí)，試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率ε?在規(guī)定范圍內(nèi)的最大應(yīng)力；二是在溫度t與試驗(yàn)時(shí)間T一定時(shí)，試驗(yàn)的蠕變總伸長(zhǎng)率δ在規(guī)定范圍內(nèi)的最大應(yīng)力。

1.2 持久強(qiáng)度極限

所謂持久強(qiáng)度，指的是金屬長(zhǎng)時(shí)間在高溫載荷條件下的抗斷裂能力，而持久強(qiáng)度極限是在溫度t一定時(shí)，既滿足持續(xù)時(shí)間τ的要求，又不引起試驗(yàn)斷裂的最大應(yīng)力。

2 影響金屬高溫力學(xué)性能的因素

針對(duì)金屬高溫力學(xué)性能的提高，其要求對(duì)晶內(nèi)、晶界原子的擴(kuò)散進(jìn)行控制，且其主要與合金的化學(xué)成分、熱處理及冶煉工藝等有關(guān)，具體表現(xiàn)如下：

2.1 合金的化學(xué)成分

研究發(fā)現(xiàn)，若金屬位錯(cuò)克服障礙需要的蠕變激活能足夠高，其產(chǎn)生蠕變變形的幾率便非常低；純金屬需要的蠕變激活能接近擴(kuò)散激活能，則要求合金與耐熱鋼選擇層錯(cuò)能低、熔點(diǎn)高或自擴(kuò)散激活能大的合金與金屬作為基體材料。在基體材料中，可加入鈮、鎢、鉬、鉻等合金元素，使其變?yōu)閱蜗喙倘荏w，從而使材料的擴(kuò)散激活能及蠕變極限增大；可加入促進(jìn)彌散相形成的合金元素，以提高材料的高溫強(qiáng)度；可加入稀土、硼等增大晶界擴(kuò)散激活能的合金元素，以提高材料的蠕變極限、持久強(qiáng)度極限。

2.2 冶煉工藝

鑒于高溫合金對(duì)氣體含量、雜質(zhì)元素的要求嚴(yán)苛，則應(yīng)優(yōu)化冶煉工藝，以控制合金內(nèi)的雜質(zhì)含量，并防止產(chǎn)生冶金缺陷。例如，鑷金合金在真空冶煉后，鉛的含量從5∕1 000 000降至2∕1 000 000以下可使合金的持久時(shí)間延長(zhǎng)一倍。在實(shí)際應(yīng)用中，高溫合金易在應(yīng)力、垂直向的橫向晶界上產(chǎn)生裂紋，則為了控制橫向晶界及延長(zhǎng)合金的持久時(shí)間，可采取定向凝固工藝。例如，鑷基合金在運(yùn)用定向凝固工藝后，可使其在645MPa、760℃應(yīng)力條件下的斷裂壽命增加4-5倍。

2.3 熱處理工藝

通常而言，不同鋼種所采用的熱處理工藝不盡相同。例如，珠光體耐熱鋼主要采用的是正火+高溫回火工藝，即借助較高的正火溫度，使碳化物完全溶入奧氏體內(nèi)；回火溫度比使用溫度高100-150℃，其可穩(wěn)定材料在使用溫度條件下的組織。無論合金或奧氏體耐熱鋼，其常通過固溶強(qiáng)化處理與時(shí)效處理來獲得符合規(guī)定的晶粒度，并使強(qiáng)化相分布的狀態(tài)得以改善。研究發(fā)現(xiàn)，形變熱處理可使晶界形狀發(fā)生改變，且晶內(nèi)的亞晶界具有多邊化的特征，從而強(qiáng)化了合金。例如，GH78、GH38型鐵基合金經(jīng)過形變熱處理，其在630℃、550℃時(shí)100h的持久強(qiáng)度各提高20%和25%，且持久塑性也非常高。

2.4 晶粒度

研究發(fā)現(xiàn)，金屬高溫力學(xué)性能受晶粒度的影響較為明顯，即：若使用溫度比等強(qiáng)溫度低，則細(xì)晶粒鋼的強(qiáng)度較高；若使用溫度比等強(qiáng)溫度高，則粗晶粒鋼的蠕變極限、持久強(qiáng)度極限較高，但晶粒過大會(huì)使金屬在高溫條件下的沖擊韌性與持久塑性下降，因此應(yīng)按合金的成分與工作條件設(shè)定最佳晶粒度范圍；晶粒度的均勻度不夠會(huì)使金屬的高溫力學(xué)性能下降，因?yàn)橐滓蚓Я＝唤犹幍膽?yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。

3 結(jié)語

綜合前文，影響金屬高溫力學(xué)性能的因素包括合金的化學(xué)成分、熱處理與冶煉工藝、晶粒度等。為此，金屬高溫力學(xué)性能的提高要求綜合考慮每一種影響因素，并從客觀實(shí)際出發(fā)，采用綜合手段實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。

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