金屬材料的高溫蠕變性能分析

黃建輝

（哈爾濱松江電機有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

金屬是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的材料之一。許多金屬元素，由于其自身性能的限制，不適合在高溫下作業(yè)。但是在能源化工，冶金等領(lǐng)域，許多零構(gòu)件又必須在高溫高壓系統(tǒng)中長期運轉(zhuǎn)，例如，高壓鍋爐、反應(yīng)容器、蒸汽輪機等，這就對其使用材料提出了更高的要求。而且，我們也不能再用一些常溫性能指標來衡量其高溫力學(xué)性能。所以，深入了解金屬材料的高溫力學(xué)性能，正確評估構(gòu)件的使用壽命和安全性，成為材料科學(xué)研究的重中之重。

周圍生活中，我們會發(fā)現(xiàn)，燈泡用久了，就很容易壞掉。其中一個重要原因就是燈絲由于自身的重量產(chǎn)生的應(yīng)力，引起燈絲發(fā)生形變。過多的形變會使燈絲相互接觸，引起短路，隨之也就廢掉。還有蒸汽渦輪發(fā)電站中，發(fā)動機長期處于高溫高壓系統(tǒng)中，渦輪葉片就會發(fā)生形變，積累到一定程度就會接觸到外套，影響正常工作。這些都是金屬材料在高溫的一個重要力學(xué)現(xiàn)象——蠕變。

所謂蠕變，是指在一定的溫度和較小的恒定外力（拉力、壓力、扭力）作用下，材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。嚴格來說，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，但是只有當T／TM大于0.3時，蠕變現(xiàn)象才會明顯。這樣說來蠕變的研究對于金屬材料的高溫使用有著重要的意義，下面我們從以下幾個方面來簡單分析一下金屬材料的蠕變。

1 蠕變的宏觀規(guī)律

金屬材料蠕變的宏觀規(guī)律我們可以用蠕變曲線來描述。曲線上任一點的斜率來表示該狀態(tài)的蠕變速率，并按其速率大小可以分為三個階段：

1.1 減速階段

蠕變的速率隨時間的延長而減小。又稱為過渡蠕變階段，實質(zhì)上是一個加工硬化過程。

1.2 恒速階段

蠕變速率幾乎不變，又稱為穩(wěn)態(tài)蠕變階段。其穩(wěn)態(tài)蠕變速率決定了蠕變壽命及總的伸長量。

1.3 加速蠕變階段

蠕變速率一直增大直到發(fā)生斷裂。

影響蠕變過程的根本原因在于材料自身性質(zhì)。但對于同種材料來說，蠕變過程的兩個重要參數(shù)是溫度和應(yīng)力。增大應(yīng)力或是提高溫度時，蠕變壽命變短，變形速度快，耐高溫性能差。

2 金屬高溫力學(xué)性能指標

金屬高溫力學(xué)性能指標主要有蠕變極限，持久強度和應(yīng)力松弛的穩(wěn)定性。這些參數(shù)可以用于評定金屬的蠕變性能。

蠕變極限 蠕變極限是指高溫長時間載荷作用下，機件不致產(chǎn)生過量塑性變形的拉力指標。蠕變極限與常溫下機件設(shè)計的選用是相似的，材料蠕變極限中所選用的溫度和時間，一般是由機件的具體服役條件來決定的。必須確保應(yīng)力在一定的溫度和時間范圍內(nèi)不會產(chǎn)生過量蠕變。因此我們可以把，在給定溫度下，使試樣在第二個階段產(chǎn)生的規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力表示為蠕變極限。

持久強度是指材料在一定的溫度和規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)引起斷裂的最大應(yīng)力值。高溫工作的構(gòu)件對蠕變變形要求不嚴格，以持續(xù)強度作為設(shè)計機件的主要依據(jù)。若對蠕變變形要求嚴格，則需以蠕變極限為其依據(jù)。

應(yīng)力松弛的穩(wěn)定性，是指高溫工作下的緊固螺栓，若維持其恒定形變，緊固應(yīng)力會隨著時間延長而不斷下降的現(xiàn)象。因為應(yīng)力松弛現(xiàn)象是在溫度和總應(yīng)變不變的情況下，由彈性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形，即逐漸發(fā)生形變，使初始應(yīng)力下降的情況。該性能指標可以用來評價材料的高溫預(yù)緊應(yīng)力，進而來檢測構(gòu)件的安全性。例如，汽輪機的緊固件，隨著時間的延長，剩余應(yīng)力低于氣缸螺栓的工作應(yīng)力時，會發(fā)生泄氣。設(shè)計時，應(yīng)考慮其應(yīng)力松弛，以保證其使用安全。

3 蠕變變形機制

金屬晶體在常溫下的變形，可以通過位錯的滑動，產(chǎn)生滑移和孿晶兩種變形方式，但在高溫條件下，原子擴散較為顯著，使得蠕變變形機制也發(fā)生了改變。

位錯蠕變機制。這種機制適合于溫度低應(yīng)力高，多數(shù)工業(yè)用抗蠕變合金屬此類。材料的塑性變形主要是由位錯滑移引起的，但在常溫時位錯容易受阻，變形只能到一定程度。高溫時位錯可以通過攀移，使位錯遇到障礙時做垂直于滑移面的運動，，從而使位錯得以增殖和運動。

擴散蠕變機制。適合于溫度高應(yīng)力低時。它是在高溫條件下，原子和空穴發(fā)生熱激擴散引起的，外力作用下，原子和空穴因勢能不同會發(fā)生由高勢能向低勢能的定向擴散。垂直于外力的晶界拉伸，平行于外力的晶界壓縮，產(chǎn)生蠕變。

晶界滑動蠕變。高溫下晶界的原子容易擴散，受力后易產(chǎn)生塑性變形，即蠕變。溫度越高，晶界滑動作用越強，同時還要求與晶內(nèi)變形配合的很好，否則易產(chǎn)生裂紋。

由上述蠕變變形的機理可知，蠕變是在一定的應(yīng)力條件下，材料熱激活微觀過程的宏觀表現(xiàn)。要降低蠕變速率，提高蠕變極限，就必須控制位錯攀移的速率。要提高持久強度，就必須控制晶界的滑動。阻礙空位的形成與運動。也就是說，要提高高溫力學(xué)性能，就要控制晶內(nèi)和晶界原子的擴散過程，可以通過以下幾種途徑：

合金化。材料蠕變根本在于其自身的性質(zhì)。實際生產(chǎn)中，我們選用耐高溫的金屬，實質(zhì)上是選用熔點高，自擴散激活能大，層錯能低的元素或合金，因為這些元素擴散慢，有利于降低蠕變速率。使得蠕變變形困難。

冶煉工藝。金屬晶體內(nèi)部含有很多夾雜物或是氣體，使得晶內(nèi)有很多缺陷 。高溫合金的使用中，垂直于應(yīng)力方向的橫向晶界上易產(chǎn)生裂紋。定向凝固工藝，使柱狀晶沿受力方向生長，減小橫向晶界，可大大提高持久強度，輪葉斷裂壽命可提高四到五倍。

在冶金化工等方面，蠕變是我們評定在高溫或是高應(yīng)力下長時間服役的構(gòu)件的一個重要力學(xué)性能指標，也許大部分蠕變是組成失效模型的一種機制，但也有部分蠕變是有利于生產(chǎn)的。為此，我們可以引其益處，減其劣點，使其更好的為實際生產(chǎn)服務(wù)，同時，我們也需要更深入的研究其機理，以便得到更廣泛的應(yīng)用。

結(jié)語

為更好的理解金屬的蠕變性能，需要從宏觀規(guī)律與內(nèi)在形變本質(zhì)兩個方面把握，深入分析蠕變機制，以便尋找出更好的提高蠕變抗力的途徑。合理的應(yīng)用蠕變抗力，更好的滿足人們的生活需求。

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