金属高温力学性能影响因素的分析与研究

金属材料是金属元素或以金属元素为主成分且具有金属特性的材料统称, 比如纯金属、合金、特种金属材料及金属材料金属间化合物等。目前, 在高温环境下使用的机件通常由金属材料制成, 但温度会对金属的力学性能产生重大影响, 即在温度升高后, 金属的强度下降、塑性增强;在高温条件下, 载荷的持续时间会对金属的力学性能产生较大影响。据此, 为了提高金属的力学性能及满足实际需要, 本文笔者主要探讨影响金属高温力学性能的因素。

1 金属高温力学性能指标

1.1 蠕变极限

所谓蠕变, 指的是金属长时间在恒温、恒载荷条件下出现的塑性变形现象。在低温条件下, 蠕变现象同样会产生, 通常在约比温度>0.3时较为明显, 其中约比温度是试验温度与金属熔点绝对温度的比值。例如, 在合金钢温度>400℃、碳钢温度>300℃时, 便需将蠕变的影响考虑其中。金属的蠕变过程按蠕变速率分为减速、恒速、加速蠕变阶段, 其中减速蠕变阶段的速率开始增大, 但呈减速趋势;恒速蠕变阶段的速率基本不变;加速蠕变阶段的速率逐渐增大, 直至产生断裂。为了防止金属机件长时间在高温载荷条件下过量蠕变, 规定金属具有相应的蠕变极限, 其是金属长时间在高温载荷条件下的塑性变形抗力指标, 具体可用下列方式表示:一是在温度t一定时, 试样的稳态蠕变速率ε̇在规定范围内的最大应力σεt;二是在温度t与试验时间T一定时, 试验的蠕变总伸长率δ在规定范围内的最大应力σtδτ。

1.2 持久强度极限

所谓持久强度, 指的是金属长时间在高温载荷条件下的抗断裂能力, 而持久强度极限是在温度t一定时, 既满足持续时间τ的要求, 又不引起试验断裂的最大应力στt。

2 影响金属高温力学性能的因素

针对金属高温力学性能的提高, 其要求对晶内、晶界原子的扩散进行控制, 且其主要与合金的化学成分、热处理及冶炼工艺等有关, 具体表现如下:

2.1 合金的化学成分

研究发现, 若金属位错克服障碍需要的蠕变激活能足够高, 其产生蠕变变形的几率便非常低;纯金属需要的蠕变激活能接近扩散激活能, 则要求合金与耐热钢选择层错能低、熔点高或自扩散激活能大的合金与金属作为基体材料。在基体材料中, 可加入铌、钨、钼、铬等合金元素, 使其变为单相固溶体, 从而使材料的扩散激活能及蠕变极限增大;可加入促进弥散相形成的合金元素, 以提高材料的高温强度;可加入稀土、硼等增大晶界扩散激活能的合金元素, 以提高材料的蠕变极限、持久强度极限。

2.2 冶炼工艺

鉴于高温合金对气体含量、杂质元素的要求严苛, 则应优化冶炼工艺, 以控制合金内的杂质含量, 并防止产生冶金缺陷。例如, 镊金合金在真空冶炼后, 铅的含量从5/1 000 000降至2/1 000 000以下可使合金的持久时间延长一倍。在实际应用中, 高温合金易在应力、垂直向的横向晶界上产生裂纹, 则为了控制横向晶界及延长合金的持久时间, 可采取定向凝固工艺。例如, 镊基合金在运用定向凝固工艺后, 可使其在645MPa、760℃应力条件下的断裂寿命增加4-5倍。

2.3 热处理工艺

通常而言, 不同钢种所采用的热处理工艺不尽相同。例如, 珠光体耐热钢主要采用的是正火+高温回火工艺, 即借助较高的正火温度, 使碳化物完全溶入奥氏体内;回火温度比使用温度高100-150℃, 其可稳定材料在使用温度条件下的组织。无论合金或奥氏体耐热钢, 其常通过固溶强化处理与时效处理来获得符合规定的晶粒度, 并使强化相分布的状态得以改善。研究发现, 形变热处理可使晶界形状发生改变, 且晶内的亚晶界具有多边化的特征, 从而强化了合金。例如, GH78、GH38型铁基合金经过形变热处理, 其在630℃、550℃时100h的持久强度各提高20%和25%, 且持久塑性也非常高。

2.4 晶粒度

研究发现, 金属高温力学性能受晶粒度的影响较为明显, 即:若使用温度比等强温度低, 则细晶粒钢的强度较高;若使用温度比等强温度高, 则粗晶粒钢的蠕变极限、持久强度极限较高, 但晶粒过大会使金属在高温条件下的冲击韧性与持久塑性下降, 因此应按合金的成分与工作条件设定最佳晶粒度范围;晶粒度的均匀度不够会使金属的高温力学性能下降, 因为易因晶粒交接处的应力集中而产生裂纹。

3 结语

综合前文, 影响金属高温力学性能的因素包括合金的化学成分、热处理与冶炼工艺、晶粒度等。为此, 金属高温力学性能的提高要求综合考虑每一种影响因素, 并从客观实际出发, 采用综合手段实现既定目标。

摘要：对于高压蒸汽锅炉、化工炼油设备、汽轮机及航空发动机等, 其工作环境温度非常高, 则为了保证制造用金属材料的安全, 要求深入研究影响金属高温力学性能的因素。

关键词：金属材料,高温力学性能,影响因素

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