耐熱金屬材料機械性能影響原因

摘 要：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。

關鍵詞：耐熱金屬材料；機械性能；蠕變極限；化學成分

在很多企業中譬如說航空、電力、冶金、化工、石油等，這些行業中材料都是在比較高的溫度背景下運行，所以必須利用耐高溫的金屬原料。在耐高溫的金屬原料的運行背景下，耐高溫的金屬原料必須具備以下兩個方面的性能，金屬原料在高溫下具有穩定的化學性和高溫強度。必須要仔細研習解析耐高溫原料的影響元素，才能根據原因運用適當的方法以便提升耐高溫金屬原料的機械能力。

1 耐熱金屬材料的機械性能

金屬在常溫下，塑性發生變化是經過位錯來實現的，因為晶界強度較高，使位錯運動面臨比較大的阻礙，因此常溫下，晶粒越細小，強度越高。在高溫下，溫度越來越高，晶界的強度越來越低，因此材料的強度也跟著降低。在晶界強度和晶內的強度一樣時，晶界強度決定著材料的強度，這時的溫度就命名為等強溫度。由此看出，溫度越來越高，金屬會從穿晶斷裂轉化為晶間斷裂的方式，當晶界越來越多，斷裂發生的可能性就會變大，金屬的強度變低。跟著溫度的提升，金屬的變化狀態和失效狀態和在常溫下相對比就有了很大的不同，主要體現在金屬的變形行為、金屬的耐久強度、金屬的受力松垮行為等，這些都是對耐高溫金屬原料的機械能力發生影響的幾個范圍。

2 蠕變極限的影響原因

2.1 蠕變極限影響原理

就耐高溫金屬原料來講，它的機械配件需要在高溫度條件下工作，所以必須對這些耐高溫的金屬原料要求很高的機械能力，譬如規定它具備充足的沖鋒強度、堅韌或者很好的連接性和生產性。金屬原料的強熱性對于耐高溫的金屬原料來講有著重要的作用。耐高溫金屬原料在高溫度下它的每個配件機械能力，例如金屬原料的順從強度、疲勞強度、硬度等都要比在室溫下有明顯的下降。對于耐高溫金屬原料的強熱性最重要起關鍵作用的就是它的蠕變能力。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。

對耐高溫金屬原料來講，它發生蠕變也是必須的，譬如那碳鋼舉例，碳鋼在溫度到400度之上就會有明顯的蠕變行為。就一些長時間在高溫下工作的金屬配件，譬如說鍋爐的爐管，因為蠕變就會是爐管的直徑變大，同時管壁會變薄，最后導致爐管的爆炸；還有蠕變會導致汽輪機葉片和氣缸之間空隙越來越小而造成損壞。所以，就耐高溫金屬原料，高強度和蠕變特點是確定耐高溫金屬原料機械能力作用的元素，就耐高溫金屬原料，必須要求材料具備高熱強性和強大的抗蠕變能力。

2.2 提高蠕變強度方式

耐高溫金屬中可以再高溫下長久工作，具備很強的蠕變能力和很高的強度，說明此材料具備很好的耐熱性，根據研究，這些金屬中都含有較高的鉻和鎳。金屬材料中含有高量的鎳（Ni）、鉻（Cr），會具備很好的耐侵蝕性、耐高溫度性和耐氧化性。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。

3 化學元素的影響原因

就耐高溫金屬原料來講，原料含有的金屬成分對他的機械能力有著重要的決策作用，因為耐高溫金屬原料要在高溫度下長久的作業，所以為了保證耐高溫金屬原料的有效性能，需要往金屬原料中加入一些成分。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。

化學成分可以提升耐高溫金屬原料的機械能力，但是也有一部分化學成分如果加入到原料中，會對耐高溫金屬原料的產生負面作用。這里有幾樣化學成分對耐高溫金屬原料的機械能力作用尤其顯著。

（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。在耐高溫金屬原料中硫和磷這兩種元素屬于有害成分，這兩種成分的增多會導致耐熱金屬原料的脆性增加，使金屬原料的塑性能力下降，就耐高溫金屬原料的鏈接能力也會造成不良影響。

4 焊條對金屬機械性能的影響原因

因為耐高溫金屬原料要長久的在高溫度下作業，要保證金屬原料有效的抗高溫能力，就需要往金屬原料中加入一些成分。如焊接材料與原材料的化學元素有較大差別，若金屬工具在高溫度下作業，就會造成金屬連接地方因為一些成分的蔓延情況致使金屬連接的機械功能降低，譬如說碳成分在連接線周圍的蔓延。所以，在因金屬工具的連接才選用鏈接原料時，需要保證材料的焊接功能和其母材料是一樣的。所以為了確保耐高溫金屬原料的機械能力，焊接金屬的化學元素必須要與母材料一樣。

5 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。

6 結語

本文綜合了筆者的實際工作經驗，進一步解析了對金屬原料機械能力有改變的幾種重要原由，像蠕變能力、金屬原料中化學元素和焊條的鏈接作業等，關于這些干擾因素，提出了保證耐高溫金屬原料機械能力的一些辦法，希望能給同行一些參考。

參考文獻

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