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金属材料的高温蠕变性能分析

[ 发布日期:2018-02-26 点击:326 来源:中国船舶重工集团公司第725研究所检测服务平台 【打印此文】 【关闭窗口】]
    金属高温力学性能指标主要有蠕变极限,持久强度和应力松弛的稳定性,以下是小编搜集整理的一篇探究金属材料高温蠕变性能的论文范文,欢迎阅读参考。
 
    摘 要:本文通过分析金属材料的高温蠕变性能,从蠕变的宏观规律谈起,引出金属高温的几个性能指标,到分析晶体内部的蠕变变形机制,揭示其蠕变的本质,提出在实际生产中提高蠕变抗力的途径。
 
    关键词:金属;蠕变速率;变形机制
 
    金属是工业应用最广泛的材料之一。许多金属元素,由于其自身性能的限制,不适合在高温下作业。但是在能源化工,冶金等领域,许多零构件又必须在高温高压系统中长期运转,例如,高压锅炉、反应容器、蒸汽轮机等,这就对其使用材料提出了更高的要求。而且,我们也不能再用一些常温性能指标来衡量其高温力学性能。所以,深入了解金属材料的高温力学性能,正确评估构件的使用寿命和安全性,成为材料科学研究的重中之重。
     
    周围生活中,我们会发现,灯泡用久了,就很容易坏掉。其中一个重要原因就是灯丝由于自身的重量产生的应力,引起灯丝发生形变。过多的形变会使灯丝相互接触,引起短路,随之也就废掉。还有蒸汽涡轮发电站中,发动机长期处于高温高压系统中,涡轮叶片就会发生形变,积累到一定程度就会接触到外套,影响正常工作。这些都是金属材料在高温的一个重要力学现象――蠕变。
 
    所谓蠕变,是指在一定的温度和较小的恒定外力(拉力、压力、扭力)作用下,材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。严格来说,蠕变可以发生在任何温度,但是只有当T/TM大于0.3时,蠕变现象才会明显。这样说来蠕变的研究对于金属材料的高温使用有着重要的意义,下面我们从以下几个方面来简单分析一下金属材料的蠕变。
 
    1 蠕变的宏观规律

 
    金属材料蠕变的宏观规律我们可以用蠕变曲线来描述。曲线上任一点的斜率来表示该状态的蠕变速率,并按其速率大小可以分为三个阶段:
 
    1.1 减速阶段
 
    蠕变的速率随时间的延长而减小。又称为过渡蠕变阶段,实质上是一个加工硬化过程。
 
    1.2 恒速阶段

 
    蠕变速率几乎不变,又称为稳态蠕变阶段。其稳态蠕变速率决定了蠕变寿命及总的伸长量。
 
    1.3 加速蠕变阶段

 
    蠕变速率一直增大直到发生断裂。
 
    影响蠕变过程的根本原因在于材料自身性质。但对于同种材料来说,蠕变过程的两个重要参数是温度和应力。增大应力或是提高温度时,蠕变寿命变短,变形速度快,耐高温性能差。
 
    2 金属高温力学性能指标
 
    金属高温力学性能指标主要有蠕变极限,持久强度和应力松弛的稳定性。这些参数可以用于评定金属的蠕变性能。
 
    蠕变极限 蠕变极限是指高温长时间载荷作用下,机件不致产生过量塑性变形的拉力指标。蠕变极限与常温下机件设计的选用是相似的,材料蠕变极限中所选用的温度和时间,一般是由机件的具体服役条件来决定的。必须确保应力在一定的温度和时间范围内不会产生过量蠕变。因此我们可以把,在给定温度下,使试样在第二个阶段产生的规定稳态蠕变速率的应力表示为蠕变极限。
 
    持久强度是指材料在一定的温度和规定的持续时间内引起断裂的应力值。高温工作的构件对蠕变变形要求不严格,以持续强度作为设计机件的主要依据。若对蠕变变形要求严格,则需以蠕变极限为其依据。
 
    应力松弛的稳定性,是指高温工作下的紧固螺栓,若维持其恒定形变,紧固应力会随着时间延长而不断下降的现象。因为应力松弛现象是在温度和总应变不变的情况下,由弹性变形转化为塑性变形,即逐渐发生形变,使初始应力下降的情况。该性能指标可以用来评价材料的高温预紧应力,进而来检测构件的安全性。例如,汽轮机的紧固件,随着时间的延长,剩余应力低于气缸螺栓的工作应力时,会发生泄气。设计时,应考虑其应力松弛,以保证其使用安全。
 
    3 蠕变变形机制
 
    金属晶体在常温下的变形,可以通过位错的滑动,产生滑移和孪晶两种变形方式,但在高温条件下,原子扩散较为显著,使得蠕变变形机制也发生了改变。
 
    位错蠕变机制。这种机制适合于温度低应力高,多数工业用抗蠕变合金属此类。材料的塑性变形主要是由位错滑移引起的,但在常温时位错容易受阻,变形只能到一定程度。高温时位错可以通过攀移,使位错遇到障碍时做垂直于滑移面的运动,,从而使位错得以增殖和运动。
 
    扩散蠕变机制。适合于温度高应力低时。它是在高温条件下,原子和空穴发生热激扩散引起的,外力作用下,原子和空穴因势能不同会发生由高势能向低势能的定向扩散。垂直于外力的晶界拉伸,平行于外力的晶界压缩,产生蠕变。
 
    晶界滑动蠕变。高温下晶界的原子容易扩散,受力后易产生塑性变形,即蠕变。温度越高,晶界滑动作用越强,同时还要求与晶内变形配合的很好,否则易产生裂纹。
 
    由上述蠕变变形的机理可知,蠕变是在一定的应力条件下,材料热激活微观过程的宏观表现。要降低蠕变速率,提高蠕变极限,就必须控制位错攀移的速率。要提高持久强度,就必须控制晶界的滑动。阻碍空位的形成与运动。也就是说,要提高高温力学性能,就要控制晶内和晶界原子的扩散过程,可以通过以下几种途径:
 
    合金化。材料蠕变根本在于其自身的性质。实际生产中,我们选用耐高温的金属,实质上是选用熔点高,自扩散激活能大,层错能低的元素或合金,因为这些元素扩散慢,有利于降低蠕变速率。使得蠕变变形困难。
 
    冶炼工艺。金属晶体内部含有很多夹杂物或是气体,使得晶内有很多缺陷 。高温合金的使用中,垂直于应力方向的横向晶界上易产生裂纹。定向凝固工艺,使柱状晶沿受力方向生长,减小横向晶界,可大大提高持久强度,轮叶断裂寿命可提高四到五倍。
 
    在冶金化工等方面,蠕变是我们评定在高温或是高应力下长时间服役的构件的一个重要力学性能指标,也许大部分蠕变是组成失效模型的一种机制,但也有部分蠕变是有利于生产的。为此,我们可以引其益处,减其劣点,使其更好的为实际生产服务,同时,我们也需要更深入的研究其机理,以便得到更广泛的应用。
 
    结语
 
    为更好的理解金属的蠕变性能,需要从宏观规律与内在形变本质两个方面把握,深入分析蠕变机制,以便寻找出更好的提高蠕变抗力的途径。合理的应用蠕变抗力,更好的满足人们的生活需求。