耐熱鋼的高溫力學(xué)性能

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耐熱鋼的基本性能是它在高溫下的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，同時(shí)還有常溫下的力學(xué)性能、工藝性能和物理性能等。

耐熱鋼的高溫力學(xué)性能主要包括蠕變性能、持久強(qiáng)度、疲勞性能、松弛性能等。

1、蠕變性能

耐熱材料的蠕變是指溫度高于0.5T熔點(diǎn)下，材料所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力時(shí)，隨著加載時(shí)間的持續(xù)增加而產(chǎn)生的緩慢塑性變形現(xiàn)象。通常用蠕變曲線來描述材料的蠕變規(guī)律。在實(shí)踐中通常使用條件蠕變極限來測(cè)定耐熱鋼的蠕變性能。條件蠕變極限是指在獲得一定變形速率，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)獲得一定總變形量的應(yīng)力。一般用下列兩種方式表示：

1) 以伸長率確定蠕變極限時(shí)，用σδτ/τ表示；

2) 以蠕變速率確定蠕變極限時(shí)，用σv表示。

在工程實(shí)踐中常用規(guī)定的蠕變速率確定蠕變極限。汽輪機(jī)、鍋爐設(shè)備零部件的工作時(shí)間一般規(guī)定為105h。用于汽輪機(jī)、鍋爐設(shè)備的耐熱鋼，其條件蠕變極限的確定是以105h變形為1%時(shí)的應(yīng)力來計(jì)算零部件的強(qiáng)度。

2、持久強(qiáng)度

耐熱材料的持久強(qiáng)度是指在給定的溫度下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)斷裂時(shí)的強(qiáng)度，要求給出的只是此時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。持久強(qiáng)度試驗(yàn)不僅反映材料在高溫長期應(yīng)力作用下的斷裂應(yīng)力，而且還表明斷裂時(shí)的塑性(即持久塑性)。耐熱材料零部件在高溫下工作的時(shí)間長達(dá)幾百小時(shí)，幾千小時(shí)，甚至幾萬小時(shí)，而持久強(qiáng)度試驗(yàn)不可能進(jìn)行那么長時(shí)間，一般只做一些應(yīng)力較高而時(shí)間較短的試驗(yàn)，然后根據(jù)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用外推法，得出更長時(shí)間的持久強(qiáng)度值。但外推法所得持久強(qiáng)度值可能與實(shí)際值有差距，因此，重要的材料仍需進(jìn)行長達(dá)數(shù)萬小時(shí)的持久強(qiáng)度試驗(yàn)。

耐熱材料零部件由于溫度波動(dòng)會(huì)加速蠕變過程，降低持久強(qiáng)度。有些耐熱鋼有缺口敏感性。缺口所造成的應(yīng)力集中對(duì)持久強(qiáng)度的影響決定于試驗(yàn)溫度、缺口的幾何形狀、鋼的持久塑性、熱處理工藝及鋼的成分等因素。

3 、疲勞性能

高溫下工作的材料，除經(jīng)受機(jī)械疲勞之外，還經(jīng)受熱疲勞作用。材料經(jīng)多次反復(fù)熱應(yīng)力循環(huán)以后導(dǎo)致破壞的過程稱為熱疲勞。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤及汽輪機(jī)葉片等部件經(jīng)常處于溫度急劇交變情況下工作．使材料內(nèi)部承受交變的熱應(yīng)力，同時(shí)伴隨著彈性變形的循環(huán)，由此引起塑性變形逐漸積累損傷，最后導(dǎo)致材料破壞。由于熱疲勞裂紋的形成是塑性孌形逐斷積累損傷的結(jié)果，因此用塑性變形幅度作為熱疲勞過程受載特性，建立起塑性變形幅度與熱循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系作為耐熱材料的熱疲勞強(qiáng)度。塑性變形與破裂壽命間的關(guān)系式如下：

Δερ?NK=C

式中：K、C—與材料性質(zhì)和試驗(yàn)條件有關(guān)的常數(shù)；

Δερ—在一次循環(huán)中的塑性變形；

N—破裂前的循環(huán)次數(shù)。

熱疲勞試驗(yàn)條件(如熱循環(huán)上下限溫度、熱循環(huán)速度、高溫上下限停留時(shí)間和平均溫度)對(duì)熱疲勞強(qiáng)度有很大影響。應(yīng)力集中(如橫截面過渡不均勻，異種材料焊接及兩端固定的導(dǎo)管等)也會(huì)引起熱疲勞裂紋和破裂，降低材料的熱疲勞強(qiáng)度。材料的顯微組織在熱循環(huán)中的變化(如鋼的碳化物析出與聚集，晶粒長大和粗化等)都會(huì)降低鋼的熱疲勞強(qiáng)度。

4 、松弛性能

耐熱材料在高溫長期應(yīng)力作用下，其總變形不變，材料所承受的應(yīng)力隨時(shí)間的增長而自發(fā)的逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。在高溫下工作的彈簧、鍋爐與汽輪機(jī)的緊固件等都是在承受應(yīng)力松弛下工作的，必須考慮鋼的松弛穩(wěn)定性。松弛過程一般用松弛曲線表示。

影響應(yīng)力松弛的因素都與材料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，凡與材料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)的因素(如成分、熱處理工藝等)都會(huì)影響鋼的應(yīng)力松弛性能。

應(yīng)力松弛性能常用應(yīng)力松弛速率來表示，即用單位時(shí)間的應(yīng)力下降值(給定瞬間的應(yīng)力松弛曲線的斜率)表示。