耐熱金屬材料機械性能影響原因探索

李占才

（楚雄滇中有色金屬有限責任公司，云南 楚雄 675000)

1 引言

在航空、電力、冶金、化工、石油等許多行業中，鑒于材料經常在較高溫度環境下工作，因此常常需要使用耐熱金屬材料。從耐熱金屬材料的工作環境來看，耐熱金屬材料應該具有兩方面的性能，即金屬材料的高溫化學穩定性和高溫強度。而對于耐熱金屬材料來說，應當認真研究分析其影響因素，從而針對原因而采取措施來提高耐熱金屬材料的機械性能。

2 耐熱金屬材料的機械性能

金屬在室溫下，塑性變形是通過位錯的運動來進行的，由于晶界具有高的強度，對位錯運動具有較大的阻力，所以室溫下晶粒越細，強度越高。高溫時，隨著溫度的升高，晶界的強度下降顯著，材料強度亦隨之下降。當晶界強度與晶內強度相等時，材料的強度就由晶界強度所決定，我們把這時的溫度稱為等強溫度。可以看出，隨著溫度的升高，金屬的斷裂方式會由穿晶斷裂轉變為晶間斷裂，這時晶界越多，發生斷裂的可能性就越大，金屬的強度就越低。隨著溫度的升高，金屬的變形行為和失效形式與室溫相比有了較大的區別，主要表現在金屬的蠕變現象、金屬的持久強度、金屬的應力松馳現象等，這些就是影響耐熱金屬材料機械性能的幾個范疇。

3 蠕變極限的影響原因

3.1 蠕變極限影響原理

對于耐熱金屬材料來說，其機械零部件要求在高溫耐熱條件下運作，因此要求這些耐熱金屬材料的機械性能要求相當高，例如要求其具有足夠的沖擊韌性、強度或者良好的焊接性以及加工性。而對于耐熱金屬材料來說，尤其是其熱強性對其機械性能起著關鍵作用。耐熱金屬材料在高溫下其各項機械性能，如金屬材料的屈服強度、疲勞強度、硬度等均比常溫下顯著降低。而影響耐熱金屬材料的熱強性，尤為主要的影響因素是其蠕變極限。

蠕變極限就是耐熱金屬材料在高溫極限下，引起金屬材料出現一定變形速度的應力。把試樣加熱到一定溫度，同時加載一定荷載，長時間后就可以得到蠕變伸長率-時間曲線，如圖1所示；通過對不同溫度以及不同應力試樣，從而得到多條蠕變曲線。

圖1 典型蠕變曲線

對于耐熱金屬材料來說，其蠕變不可避免，例如對于碳鋼來說，其在400℃以上就會發生顯著的蠕變現象。對于一些長期受高溫的金屬材料零部件來說，如鍋爐的爐管，由于蠕變將會造成爐管管徑越來越大，管壁變得越薄，最終造成爐管的爆破；例如蠕變將會造成汽輪機葉片與氣缸之間間隙消失而導致破壞。因此，對于耐熱金屬材料來說，熱強性和蠕變能力是決定耐熱金屬材料機械性能的影響因素，對于耐熱金屬材料來說，要求材料必須具有熱強性高、抗蠕變能力強的材料。

3.2 提高蠕變強度方式

研究表明，對于有較高含量的鉻和鎳，耐熱金屬材料具有較多蠕變強度，材料因此具有較好的耐高溫性，而且其在高溫下能長期作業。鑒于鎳(Ni)、鉻(Cr)含量高，使耐熱金屬材料具有良好的耐腐蝕性、耐氧化性以及耐高溫性。通過增加碳含量后，鑒于其固溶強化作用使耐熱金屬材料強度得到有效提高，通過在耐熱金屬材料以鉻、鎳為基礎的化學成分中摻入適量的鎢、鈮、鉬以及鈦等元素，因為金屬材料的組織為面心立方結構，因此在高溫下金屬材料仍有具有較高的強度和蠕變強度。

4 化學元素的影響原因

對于耐熱金屬材料來說，材料內部的金屬元素對于其機械性能起著重要的決定因素之一。而耐熱金屬材料由于要在高溫下長期工作，因此為了能有效地確保耐熱金屬材料的高溫性能，必須向金屬材料中摻入一些元素。

例如，在耐熱金屬材料中加入鉬，可以有效地使金屬中的晶粒得到細化，從而提高金屬材料的淬透性和熱強性能，使耐熱金屬材料在高溫下仍能保持足夠的強度以及抗蠕變能力。另外，在耐熱金屬材料中加入鉬，不僅能提高材料的機械性能，還可以抑制金屬材料由高溫引起的脆性。另外，在金屬材料中常加入鋁元素，通過加入少量的鋁，同樣可有效地使金屬中的晶粒得到細化，提高耐熱金屬材料的沖擊韌性。同時因為鋁具有抗腐蝕性以及抗氧化性，鋁在耐熱金屬材料中的摻入，可有效地提高耐熱金屬材料在高溫下不起皮的性能以及耐高溫腐蝕的能力，但是鋁的過量加入又會對耐熱金屬材料的焊接性能、熱加工性能以及切削加工性能構成影響。

化學元素會提高耐熱金屬材料的機械性能，但是同樣有部分化學元素如果摻入到材料中，會影響材料的機械性能。其中有幾種化學元素對耐熱金屬材料的機械性能影響尤為突出。

（1）錳元素（Mn）。錳在金屬材料中大多數起到脫氧劑的作用，其可提高金屬材料的強度或者硬度，同時由于提高了金屬材料的淬性，從而改善了耐熱金屬材料的熱加工性能。但是隨著錳含量的不斷增多，將會減弱耐熱金屬材料的抗腐蝕能力，降低了材料的焊接性能。

（2）硫和磷元素。硫和磷元素在耐熱金屬材料中都是有害元素，這兩種元素的增加會增加耐熱金屬材料的脆性，降低了金屬材料的塑性性能，對于耐熱金屬材料的焊接性能也會構成影響。

5 焊條對金屬機械性能的影響原因

鑒于耐熱金屬材料要在高溫下長期工作，要有效地確保金屬材料的耐高溫性能，則必須向金屬材料中摻入一些元素。若焊縫材料與母材的化學成分相差較大，則金屬材料在高溫下工作，就會導致金屬接頭區域因為某些元素的擴散現象導致金屬接頭的機械性能由此下降，例如碳元素在熔合線附近的擴散。因此，在進行金屬材料的焊接而選擇焊接材料時，必須確保其焊縫性能與母材相一致。因此為了保證耐熱金屬材料的機械性能，焊縫金屬的化學成分應當盡可能與母材相一致。

另外，焊條中元素的含量以及焊接工藝燈都會影響金屬材料焊接后的機械性能。對于需要焊接的耐熱金屬材料來說，要有效地提高焊縫金屬材料的抗熱裂能力，就必須控制好焊縫中碳的含量標準，一般情況都要求焊縫的碳含量少于母材的碳含量，控制在0.07%～0.15%范圍之間。

6 提高耐熱金屬機械性能

從以上的耐熱金屬材料影響本質來看，細化晶粒在常溫下是提高金屬材料性能的好方法，但是對于高溫金屬材料則是不適合的。所以，在高溫下工作的耐熱金屬材料常采用下列方法來提高金屬材料的機械性能。

（1）耐熱金屬材料的機械性能最基本是取決于原子間的結合力，原子排列越緊密，基體的機械性能也就高。

（2）耐熱金屬材料晶粒越細，蠕變發展的越明顯，粗晶粒鋼的蠕變速度較低。因此如在金屬材料中加入B、Re和堿土金屬，可以與S、P等雜質生成穩定難熔的化合物，減小了S、P雜質對熱強性的影響，以達到純化（凈化）晶界目的。

7 結語

本文結合筆者實踐經驗，深入分析了影響耐熱金屬材料機械性能的幾種主要原因，如蠕變極限、金屬材料中的化學成分以及焊條的焊接工藝等，針對這些影響原因，提出確保耐熱金屬材料機械性能的相關措施，旨在能給同行提供參考。

[1]馬艷秀，楊小勇，葉萍，等.材料化學成分對耐熱金屬材料的影響初探 [J].原子能科學技術.2009，24(12)：62-64.

[2]賀曉燕，周世平，王健，等.Mn對耐熱金屬材料機械性能的影響[J].貴金屬.2008，28(05)：98-99.

[3]任乃飛，楊繼昌，蔡蘭，等.焊接對耐熱金屬材料機械性能的影響[J].機械制造.2008，31(03)：75-76.