金屬高溫力學性能影響因素的分析與研究

陳黎(浙江賽福特特種設備檢測有限公司，浙江 杭州 310020)

金屬高溫力學性能影響因素的分析與研究

陳黎(浙江賽福特特種設備檢測有限公司，浙江 杭州 310020)

對于高壓蒸汽鍋爐、化工煉油設備、汽輪機及航空發動機等，其工作環境溫度非常高，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性能的因素。

金屬材料；高溫力學性能；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，在高溫環境下使用的機件通常由金屬材料制成，但溫度會對金屬的力學性能產生重大影響，即在溫度升高后，金屬的強度下降、塑性增強；在高溫條件下，載荷的持續時間會對金屬的力學性能產生較大影響。據此，為了提高金屬的力學性能及滿足實際需要，本文筆者主要探討影響金屬高溫力學性能的因素。

1 金屬高溫力學性能指標

1.1 蠕變極限

所謂蠕變，指的是金屬長時間在恒溫、恒載荷條件下出現的塑性變形現象。在低溫條件下，蠕變現象同樣會產生，通常在約比溫度＞0.3時較為明顯，其中約比溫度是試驗溫度與金屬熔點絕對溫度的比值。例如，在合金鋼溫度＞400℃、碳鋼溫度＞300℃時，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；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，直至產生斷裂。為了防止金屬機件長時間在高溫載荷條件下過量蠕變，規定金屬具有相應的蠕變極限，其是金屬長時間在高溫載荷條件下的塑性變形抗力指標，具體可用下列方式表示：一是在溫度t一定時，試樣的穩態蠕變速率ε?在規定范圍內的最大應力；二是在溫度t與試驗時間T一定時，試驗的蠕變總伸長率δ在規定范圍內的最大應力。

1.2 持久強度極限

所謂持久強度，指的是金屬長時間在高溫載荷條件下的抗斷裂能力，而持久強度極限是在溫度t一定時，既滿足持續時間τ的要求，又不引起試驗斷裂的最大應力。

2 影響金屬高溫力學性能的因素

針對金屬高溫力學性能的提高，其要求對晶內、晶界原子的擴散進行控制，且其主要與合金的化學成分、熱處理及冶煉工藝等有關，具體表現如下：

2.1 合金的化學成分

研究發現，若金屬位錯克服障礙需要的蠕變激活能足夠高，其產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散激活能，則要求合金與耐熱鋼選擇層錯能低、熔點高或自擴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，使其變為單相固溶體，從而使材料的擴散激活能及蠕變極限增大；可加入促進彌散相形成的合金元素，以提高材料的高溫強度；可加入稀土、硼等增大晶界擴散激活能的合金元素，以提高材料的蠕變極限、持久強度極限。

2.2 冶煉工藝

鑒于高溫合金對氣體含量、雜質元素的要求嚴苛，則應優化冶煉工藝，以控制合金內的雜質含量，并防止產生冶金缺陷。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間延長一倍。在實際應用中，高溫合金易在應力、垂直向的橫向晶界上產生裂紋，則為了控制橫向晶界及延長合金的持久時間，可采取定向凝固工藝。例如，鑷基合金在運用定向凝固工藝后，可使其在645MPa、760℃應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；回火溫度比使用溫度高100-150℃，其可穩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，其常通過固溶強化處理與時效處理來獲得符合規定的晶粒度，并使強化相分布的狀態得以改善。研究發現，形變熱處理可使晶界形狀發生改變，且晶內的亞晶界具有多邊化的特征，從而強化了合金。例如，GH78、GH38型鐵基合金經過形變熱處理，其在630℃、550℃時100h的持久強度各提高20%和25%，且持久塑性也非常高。

2.4 晶粒度

研究發現，金屬高溫力學性能受晶粒度的影響較為明顯，即：若使用溫度比等強溫度低，則細晶粒鋼的強度較高；若使用溫度比等強溫度高，則粗晶粒鋼的蠕變極限、持久強度極限較高，但晶粒過大會使金屬在高溫條件下的沖擊韌性與持久塑性下降，因此應按合金的成分與工作條件設定最佳晶粒度范圍；晶粒度的均勻度不夠會使金屬的高溫力學性能下降，因為易因晶粒交接處的應力集中而產生裂紋。

3 結語

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

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