材料的高溫性能介紹

1、高溫下承載材料的機(jī)械性能與室溫承載材料有很大區(qū)別：比如（ 1） 強(qiáng)度降低，在不同溫度下進(jìn)行金屬材料的靜拉伸試驗(yàn)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)溫度的升高，屈服平臺(tái)消失，而且材料所能承受的 最大載荷也降低。圖（ 2） 塑性增大。 在高溫條件下，影響材料機(jī)械性能的因素增多，不僅溫度有影響，應(yīng)變速度，斷裂所需時(shí)間也有影響。6.1. 金屬材料的蠕變形象6.1.1. 蠕變現(xiàn)象蠕變：金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形。碳素鋼超過(guò)300350C，合金鋼超過(guò) 400450C發(fā)生蠕變曲線：三個(gè)階段oa 開(kāi)始部分，加載引起的瞬時(shí)變形ab第1階段，速度大，不穩(wěn)定階段，減速階段，n 1, & 1b

2、e第2階段，穩(wěn)定階段，等速階段n 2，£ 2cd第3階段，最后階段，加速階段n 3，£ 3,不能計(jì)入元件壽命期。6.1.2. 蠕變曲線的表示方式數(shù)學(xué)模型，主要表示第一階段和第二階段 蠕變條件下蠕變速度隨時(shí)間變化可用下式來(lái)表示 其中 A， n 為外界條件與材料性質(zhì)的常數(shù)第一階段兩種式子第二階段6.1.3. 金屬材料在蠕變中的組織變化6.1.3.1. 滑移整個(gè)蠕變過(guò)程中，有滑移產(chǎn)生6.1.3.2. 亞晶形成晶粒變形不均勻破裂，形成亞晶6.1.3.3. 晶界形變晶界也參與形變，有時(shí)高達(dá) 40-50%6.1.4. 金屬材料的蠕變理論蠕變是在一定的溫度和應(yīng)力作用下發(fā)生的，與原子熱運(yùn)動(dòng)

3、有關(guān)。原子熱運(yùn)動(dòng)作用大致有兩方面：1 ） 是在應(yīng)力作用下原子直接大量地定向擴(kuò)散2） 協(xié)助受阻位錯(cuò)克服障礙重新運(yùn)動(dòng)一方面形變硬化，一方面回復(fù)6.1.5. 金屬材料的蠕變斷裂機(jī)理金屬材料蠕變斷裂分 2 種：晶間和穿晶穿晶：有大量塑性變形，韌性，高應(yīng)力，低溫晶間：塑性變形小，脆性，低應(yīng)力，高溫等強(qiáng)度溫度概念兩種理論：楔形蠕變裂紋（三晶交界處應(yīng)力集中，穿晶），空洞形（空洞在三晶交界處匯集，晶間）6.2. 金屬材料的高溫強(qiáng)度6.2.1. 條件蠕變極限根據(jù)不同的需要有 2 種（1）給定溫度下，引起規(guī)定變形速度的應(yīng)力值（2）一定工作溫度下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，使試件發(fā)生一定量總變形時(shí)的應(yīng)力值6.2.2. 高溫持久

4、強(qiáng)度在給定溫度下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間而斷裂時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。表示材料在溫度t經(jīng)過(guò)n而斷裂時(shí)所能承受的最大應(yīng)力與蠕變區(qū)別：蠕變考慮變形為主，高溫持久強(qiáng)度主要考慮材料在長(zhǎng)期使用下的破壞抗力。6.3. 蠕變和持久強(qiáng)度的推測(cè)方法必須進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)，應(yīng)用外推方法，可大大縮短時(shí)間。外推法：（ 1）總結(jié)金屬材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，用以外推（2）從微觀出發(fā)，建立應(yīng)力，溫度和斷裂時(shí)間的關(guān)系式。等溫線法：在同一試驗(yàn)溫度下，用較高溫度應(yīng)力進(jìn)行短期試驗(yàn)數(shù)據(jù)。（加大強(qiáng)度）6.4. 鋼的持久塑性是高溫條件下工作的重要指標(biāo)之一。細(xì)小碳化物（Mo2C VC）在晶內(nèi)析出，提高晶內(nèi)強(qiáng)度，削弱晶界強(qiáng)度，形成低塑性的晶間斷裂。影響

5、因素（ 1 ） 合金元素加入硼強(qiáng)化晶界，減小有害元素 S 等（2） 金相組織珠光體 -F> 貝氏體 >馬氏體（ 3 ） 熱處理奧氏體化溫度d，回火溫度a6.5. 影響材料高溫強(qiáng)度性能的因素提高材料高溫強(qiáng)度關(guān)鍵（1）使在蠕變變形過(guò)程中受到阻礙而堆積的位錯(cuò)不容易重新開(kāi)始運(yùn)動(dòng)（2）大力強(qiáng)化晶界，避免晶間開(kāi)裂6.5.1. 化學(xué)成分6.5.1.1. C<0.4%高溫強(qiáng)度隨碳增加而增加不同鋼種有最佳值。6.5.1.2. 其它合金元素影響Mo可提高材料高溫強(qiáng)度V,Nb,Ti 可強(qiáng)烈形成碳化物，在鋼中形成彌散分布的沉淀相，有良好強(qiáng)化效果。P強(qiáng)化晶界（1）每種合金元素的作用與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)不成正比

6、，往往有一最佳值。（2）每種合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，則單位質(zhì)量分?jǐn)?shù)所引起的作用越小。因而多元素，少質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋼種有良好的高溫性能6.5.2. 冶煉方法鋼中氣體量，晶界處的偏析，夾渣對(duì)鋼高溫性能影響大。減小有害元素，選擇適當(dāng)?shù)囊睙挿椒?.5.3. 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)6.5.3.1. 碳化物形狀分布片狀彌散分布熱強(qiáng)性好，球狀聚集不好6.5.3.2. 晶粒度常溫下， 細(xì)晶粒具有高強(qiáng)度高溫下細(xì)晶則易蠕變， 此時(shí)有個(gè)最佳值6.5.4. 熱處理方法熱處理后，在常溫下使用，不發(fā)生組織變化，可行 而在高溫下，不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)組織將發(fā)生變化，使高溫性能變壞。6.5.5. 溫度波動(dòng)對(duì)鋼材高溫強(qiáng)度的影響溫度對(duì)鋼和的高溫

7、強(qiáng)度影響，主要有 2 方面（1） 溫度的波動(dòng)使實(shí)際溫度高于規(guī)定溫度（2） 附加熱應(yīng)力6.6. 金屬材料的松馳6.6.1. 金屬材料的松馳特性 松馳：金屬材料在高溫和應(yīng)力狀態(tài)下，如果維持總變形量不變，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象。 如果總變形量不變，彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃螒?yīng)力松馳分 2 階段，第 1 階段應(yīng)力隨時(shí)間急劇降低，第 2 階段應(yīng)力下降緩慢并趨向恒定。恒定值為松馳極限。因?yàn)樗神Y極限小，通常不用它來(lái)評(píng)定材料的抗松馳能力，而用一定時(shí)間內(nèi)，材料中應(yīng)力的降低值 來(lái)表征材料抗松馳性能。松馳穩(wěn)定系數(shù)S0,不考慮初應(yīng)力，更合理。a6.6.2. 松馳的塑性應(yīng)變速度低碳鋼只與應(yīng)力有關(guān)合金鋼在第 1階

8、段與應(yīng)力和總應(yīng)變有關(guān)，第 2 階段，只與應(yīng)力有關(guān)。6.6.3. 再緊固對(duì)松馳的影響在動(dòng)力裝置上，常采用法蘭螺栓聯(lián)接，為了保證聯(lián)接的緊密性，使用一定時(shí)間后要再次緊固單純松馳與再緊固松馳見(jiàn)下圖 :6.6.4. 應(yīng)力松馳與蠕變的關(guān)系松馳與蠕變有差別也有聯(lián)系差別：蠕變是恒定應(yīng)力下，塑性變形隨時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加的過(guò)程；松馳是恒定變形下，應(yīng)力隨時(shí)間的延長(zhǎng)不斷降低過(guò)程，此時(shí)塑性變形的增加是與彈性變形的減小等量同時(shí)發(fā)生。聯(lián)系：本質(zhì)相同，松馳也可看作是應(yīng)力不斷降低時(shí)的多級(jí)蠕變。等溫線外推法和拉爾森米列爾時(shí)間溫度參數(shù)法（簡(jiǎn)稱拉米參數(shù)法）。 21 等溫線外推法 1在給定的溫度下，應(yīng)力Z與斷裂時(shí)間n之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公

9、式如下 n= AZ （ 1）兩邊取對(duì)數(shù)，可寫成lg n= lg A Big Z （2）式中 A、B 為與溫度、材料有關(guān)的常數(shù)。2)10（1） 10CrMo910鋼的持久強(qiáng)度外推持久強(qiáng)度和剩余壽命都可以借助式（ 進(jìn)行外推。為保證持久強(qiáng)度外推值的準(zhǔn)確性，外推時(shí)間不得超過(guò)試驗(yàn)時(shí)間的 倍。經(jīng)割管做持久強(qiáng)度試驗(yàn)后，所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 所示。式中ZZS為內(nèi)壓折算應(yīng)力，MPa Pjs計(jì)算壓力，MPa取Pjs = 9.0MPa Dw管子外徑，mmD薩273mmSj為計(jì)算管子最小壁厚，mm實(shí)測(cè)的最小壁厚S=19.7mn，考慮腐蝕減薄因素，取腐蝕減薄量 C=0.5mm則計(jì)算的壁厚Sj = S C= 19.7

10、0.5 = 19.2mm n為基本許用應(yīng)力的修正系數(shù)，對(duì)無(wú)縫管取n = 1將上述值代入 (4) 式后，得(3) 管道剩余壽命的外推：在式中，只要已知系數(shù)B,即可求出一定應(yīng)力下對(duì)應(yīng)的時(shí)間，可以作為測(cè)預(yù)管道理論壽命的計(jì)算方程式。在一定溫度下，某種材料系數(shù)B是不變的，可以由已知的一定時(shí)限(如104、105或2X105小時(shí))的持久強(qiáng)度值求出系數(shù)B.將式 (1) 中代入曲線上兩點(diǎn)的時(shí)間值和持久強(qiáng)度值，并相除、取對(duì)數(shù)，則可以寫成：同理，如采用105小時(shí)和2X105小時(shí)的持久強(qiáng)度值，則:自然，以式 (7) 求出的 B 值較為精確，預(yù)測(cè)的理論壽命也較可靠。如果已知設(shè)計(jì)應(yīng)力(按扣除壁厚負(fù)偏差的管子最小壁厚計(jì)算，

11、對(duì)主蒸汽直管而言，一般取等于內(nèi)壓折算應(yīng)力Z zs)，亦可按式(5)寫出預(yù)測(cè)平均理論壽命的方程式:式中n P為在設(shè)計(jì)應(yīng)力下預(yù)測(cè)的平均理論壽命，h； Z zs為管道的設(shè)計(jì)應(yīng)力(取 等于內(nèi)壓折算應(yīng)力)，MPa Z tD (105)為鋼材在設(shè)計(jì)溫度下105 h持久強(qiáng)度的 平均值，MPa Z tD (2X 105)為鋼材在設(shè)計(jì)溫度下2X 105h持久強(qiáng)度的平均值， MPa。由式(9)知，只要管道的設(shè)計(jì)應(yīng)力和鋼材在10萬(wàn)小時(shí)和2X105小時(shí)持久強(qiáng)度值已知，即可以預(yù)測(cè)其平均理論壽命。根據(jù)DIN1715583標(biāo)準(zhǔn)，10CrMo910鋼，十萬(wàn)小時(shí)持久強(qiáng)度的平均值為 78MPa二十萬(wàn)小時(shí)持久強(qiáng)度的平均值為 68M

12、Pa n =1.5, Z zs = 59.5MPa將代入式(9)得，tp= 39262 小時(shí)。管道的剩余壽命為 200000+ 39262 172073=67190(小時(shí))。2.2 時(shí)間溫度參數(shù)法預(yù)測(cè)管道的安全使用時(shí)間時(shí)間溫度參數(shù)法 2是一種“溫度換取時(shí)間”的方法。 即通過(guò)較高溫度下的短期試驗(yàn)來(lái)推斷在較低的溫度下的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)。 它把時(shí)間溫度表示成一個(gè)互相補(bǔ)償?shù)膮?shù):F(n,T) =P(Z )(10)由于參數(shù)法的根本特點(diǎn)是在高于工作溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，這時(shí)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間提前。此時(shí)只要將幾個(gè)試驗(yàn)溫度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，就可以把轉(zhuǎn)折點(diǎn)包含進(jìn)去，所以準(zhǔn)確度較高，因此參數(shù)法得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

13、它假定蠕變速度遵循下述方程：由式(13)可知，lg n與1/T有著明顯的線性關(guān)系，由于E是與常數(shù)，激活能Q是應(yīng)力的函數(shù)，令lgE = C,則得到T(C+ lg n ) = P( Z )(14)而P( Z)又可以表示成lg Z的三次多項(xiàng)式，即：P(Z ) =Co + C(lg Z ) + C(lg Z )2 + C(lg Z)3 (15)式中： C0， C1， C2， C3 是常數(shù)。對(duì)于10CrMo910鋼而言，可經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，確定上述參數(shù)。將Z = 59.5MPa T=537°C代入，得n = 261396,則管道還能安全運(yùn)行的小時(shí)數(shù)為 261396 172073= 89323(小

14、時(shí))3可靠性的評(píng)價(jià)方法 可靠性是指部件或系統(tǒng)在預(yù)定時(shí)間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力,它主要借助概率統(tǒng)計(jì)方法解決事物發(fā)生中的隨機(jī)性和不確定性問(wèn)題。在現(xiàn)有的金屬監(jiān)督和壽 命評(píng)價(jià)中引入可靠性方法,必然推進(jìn)金屬監(jiān)督工作的發(fā)展。用可靠性的方法對(duì)本主蒸汽管的壽命評(píng)估步驟如下：3.1 持久強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特性：根據(jù)大量測(cè)試數(shù)據(jù)的積累、分析結(jié)果表明 3,4 ：材料的力學(xué)性能多呈正態(tài)分布,部分則呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布。如鍋爐承壓部件材料的靜拉伸屈服 極限Zs、抗拉強(qiáng)度Z b和硬度能較好地符合或近似符合正態(tài)分布； 多數(shù)材料的延伸率6符合正態(tài)分布；材料的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)好地符合威布爾分布與對(duì)數(shù)正 態(tài)分布函數(shù)的分布規(guī)律。有時(shí)

15、為了工程應(yīng)用上的方便,也可認(rèn)為鍋爐承壓部件材料的疲勞強(qiáng)度服從正態(tài)分布。對(duì)于那些不知道分布類型的材料強(qiáng)度,在缺乏大 量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和有代表性樣本的情況下,常常假設(shè)其服從正態(tài)分布,這樣可以得到偏安全的結(jié)果5,6.因此,本文假定管道的高溫持久強(qiáng)度和折算應(yīng)力均符合正態(tài)分布。根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照最小二乘法外推 10CrMo910鋼其運(yùn)行10000小時(shí)、30000小時(shí)、80000小時(shí)的持久強(qiáng)度分別公式(3)計(jì)算得到：因?yàn)槌志脧?qiáng)度數(shù)據(jù)具有不可避免的分散性,為計(jì)算方便和安全起見(jiàn),假設(shè)其分散特性符合正態(tài)分布,并以上面各數(shù)據(jù)為各強(qiáng)度分布的均值,即。在考慮持久 強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布在士 20%勺分散帶內(nèi)的基礎(chǔ)上，10CrM

16、o910鋼再繼續(xù)運(yùn)行10000小時(shí)、30000小時(shí)和80000小時(shí)的持久強(qiáng)度偏差分別為:3.2 應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)分布：在正常工況下，可以假設(shè)應(yīng)力也服從正態(tài)分布。應(yīng)力的計(jì)算，仍采用管道內(nèi)壓折算應(yīng)力計(jì)算公式 (4) 來(lái)計(jì)算。對(duì)于參數(shù) Pjs ，其分布參數(shù)的估計(jì)可以采用在不同時(shí)間的壓力數(shù)據(jù)，就能計(jì)算其分布參數(shù)。但由于缺乏數(shù)據(jù)，可參照GB22 8水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算計(jì)算壓力規(guī)定，取壓力的波動(dòng)范圍為一0.15Rs + 0.15Pjs ;西德DIN629及DIN17175規(guī)定允許管子的加工偏差值為12.5%,由于無(wú)法得到有效的數(shù)據(jù)，可設(shè)管子外徑 Dw的加工公差為(1mm實(shí)際管壁厚度S的 值，可以認(rèn)為僅僅由測(cè)

17、量?jī)x器誤差所引起，即誤差在 (0.5mm范圍內(nèi)，并且認(rèn)為二者是獨(dú)立的。則令3.3 可靠度的計(jì)算：設(shè)丫=持久強(qiáng)度(應(yīng)力，也服從正態(tài)分布。則主蒸汽管的在額定工況下運(yùn)行不發(fā)生失效的概率，即可靠度為:式中 T 為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量的有關(guān)性質(zhì)得即10CrMo910鋼主蒸汽管在額定工況下，繼續(xù)運(yùn)行(剩余壽命)10000小時(shí)的可靠度為0.99999 ; 30000小時(shí)的可靠度為0.99970; 80000小時(shí)的可靠度為 0.99610。4結(jié)果分析通過(guò)上面的計(jì)算說(shuō)明，傳統(tǒng)的等溫壽命預(yù)測(cè)法和可靠性的預(yù)測(cè)法基本保持一致。如果取用不同的安全系數(shù)，主蒸汽管的剩余壽命會(huì)發(fā)生較大的變化，其工 作的可靠度也有較

18、明顯的變化。 但是在傳統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)法中， 安全系數(shù)的由 1.51.2 的微小變化，卻引起剩余壽命近 10倍的變化， 雖然通過(guò)研究分析證明， 對(duì)于10CrMo910主蒸汽管道，安全系數(shù)n已經(jīng)能夠取到1.2。但是，對(duì)于運(yùn)行在不同的工作環(huán)境和狀況的主蒸汽管道，這種降低安全系數(shù)的取值方法是否具有 統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，還值得懷疑，即傳統(tǒng)的等溫直線法本身還不能夠從理論上證明這是合理的。另一方面，安全系數(shù)取值的略微差異卻造成剩余壽命評(píng)估巨大的變化， 使金屬工作者無(wú)法從經(jīng)驗(yàn)上去把握其合理性。相反，利用可靠性的評(píng)價(jià)方法可以看出，即使安全系數(shù)n= 1.2，對(duì)于本例中的主蒸汽管，其可靠度依然能夠保持在0.99610，即主蒸

19、汽管道繼續(xù)運(yùn)行80000 小時(shí)的失效概率僅為 0.00390，其安全運(yùn)行的可靠度是很高的，這與文獻(xiàn) 8研究結(jié)果是一致的，而傳統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)方法則保守得多。5結(jié)論基于可靠性的壽命預(yù)測(cè)法以應(yīng)力和強(qiáng)度為隨機(jī)變量作為出發(fā)點(diǎn)，利用強(qiáng)度和應(yīng)力干涉的概率，求解主蒸汽管的可靠度的評(píng)價(jià)方法具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：(1) 認(rèn)識(shí)到蒸汽管道所受的應(yīng)力和材料強(qiáng)度均非定值，而為隨機(jī)變量，具有離散性質(zhì)，必須用數(shù)學(xué)上的分布函數(shù)來(lái)描述，故所用的概率和統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測(cè)主 蒸汽管的壽命也較傳統(tǒng)方法更為準(zhǔn)確和客觀。(2) 可靠性的方法認(rèn)為主蒸汽管的失效是一隨機(jī)事件，只要這一事件不發(fā)生，管道就可繼續(xù)運(yùn)行，只不過(guò)隨時(shí)間的增加，發(fā)生管道失效事件的概

20、率增大而 已;傳統(tǒng)的方法試圖預(yù)測(cè)一具體的壽命值，在壽命值以下運(yùn)行是安全的，超過(guò)此值即是危險(xiǎn)的;兩種方法相比較而言，可靠性方法更符合實(shí)際情況。(3) 傳統(tǒng)方法給出的壽命值往往精確到小時(shí)，但它沒(méi)有給出置信度，這種預(yù)測(cè)是不精確(不可靠)的;可靠性評(píng)價(jià)考慮了實(shí)際過(guò)程中的隨機(jī)性，以失效的概率為主要預(yù)報(bào)值，具有較傳統(tǒng)方法更高的精確度。(4) 可靠性方法以可靠度 (失效概率)為主要判據(jù)與現(xiàn)在火電廠實(shí)行的可靠性管理有機(jī)地結(jié)合。按可靠性方法管道的壽命不是固定的， 依所給的可靠度而定。即在全廠可靠性目標(biāo)確定后，系統(tǒng)可靠性分配將給主蒸汽管道一確定值，按此值即可求得管道的壽命 .需要說(shuō)明的是，由于無(wú)法取到主蒸汽管的實(shí)

21、際運(yùn)行數(shù)據(jù)，或者目前有些理論的不完善性，在利用應(yīng)力和持久強(qiáng)度的分布函數(shù)來(lái)計(jì)算主蒸汽管的可靠度時(shí)， 作了一些合理和必要的假設(shè)。實(shí)際上有些數(shù)據(jù)是非常容易取到和計(jì)算的，例如主蒸汽管運(yùn)行的計(jì)算壓力 Pjs 的分布參數(shù)，完全可以通過(guò)抽樣統(tǒng)計(jì)主蒸汽管的壓 力記錄得到真實(shí)的數(shù)據(jù)。而一方面，在主蒸汽管道的應(yīng)力計(jì)算中，采用了現(xiàn)行的環(huán)向應(yīng)力決定其蠕變壽命的假設(shè)，忽略了一些次要因素，可能會(huì)影響可靠性評(píng) 估的準(zhǔn)確性。但總體上，可靠性評(píng)價(jià)考慮了實(shí)際過(guò)程中的隨機(jī)性，是較為成功的。為保證在高溫長(zhǎng)期載荷作用下的機(jī)件不致產(chǎn)生過(guò)量變形， 要求金屬材 料具有一定的蠕變極限。和常溫下的屈服強(qiáng)度Z 0.2相似，蠕變極限是高 溫長(zhǎng)期載荷

22、作用下材料對(duì)塑性變形抗力的指標(biāo)。蠕變極限兩種表示方法：1. 在給定T下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速度的應(yīng)力值， 以符號(hào) 公斤力/ 毫米 2 表示（其中為第二階段蠕變速度， %/小時(shí)）。在電站鍋爐、汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)制造中，規(guī)定的蠕變速度大多為1X10-5%小時(shí)或1X 10-4%小時(shí)。例如，=6公斤力/毫米2,表示在溫度為600C的條件下，蠕變速度為1X 10-5%小時(shí)的蠕變極限為6公斤力 / 毫米 2。2. 在給定溫度（T）下和在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間（t，小時(shí)）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變形量（%的應(yīng)力值，以符號(hào)公斤力/毫米2表示。例如， =10公斤力/毫米2,就表示材料在500C溫度下，10萬(wàn) 小時(shí)后變形量為

23、1%的蠕變極限為 10公斤力 /毫米 2。試驗(yàn)時(shí)間及蠕變變形 量的具體數(shù)值是根據(jù)機(jī)件的工作條件來(lái)規(guī)定的。以上兩種蠕變極限都需要試驗(yàn)到蠕變第二階段若干時(shí)間后才能確定。3. 兩種蠕變極限在應(yīng)變量之間有一定的關(guān)系。例如，以蠕變速度確 定蠕變極限時(shí)，當(dāng)恒定蠕變速度為 1X 10-5%小時(shí)，就相當(dāng)于 100， 000小 時(shí)的應(yīng)變量為 1%。這與以應(yīng)變量確定蠕變極限時(shí)的 100， 000小時(shí)的應(yīng)變量為 1%相比，僅相差（見(jiàn)圖 9-2 ），但其差值甚小，可忽略不計(jì)。因此，就可認(rèn)為兩者所確定的應(yīng)變量相等。同樣，蠕變速度為 1X 10-4%/ 小時(shí)，應(yīng)相當(dāng)于 10， 000 小時(shí)的應(yīng)變量為 1%。二、蠕變極限測(cè)

24、定方法測(cè)定金屬材料蠕變極限所采用的試驗(yàn)裝置， 如圖 811 所示。試樣的 蠕變?cè)囼?yàn)用試樣的形狀、 尺寸及制備方法、 試驗(yàn)程序和操作方法等， 可有 關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。現(xiàn)以第二階段蠕變速度所定義蠕變極限為例，說(shuō)明其測(cè)定的方法。1在一定溫度和不同的應(yīng)力條件下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)。每個(gè)試樣的試驗(yàn) 持續(xù)時(shí)間不少于 20003000小時(shí)。根據(jù)所測(cè)定的應(yīng)變量與時(shí)間的關(guān)系， 作 出一組蠕變曲線。 每一條蠕變曲線上直線部分的斜率， 就是第二階段恒定 蠕變速度。2根據(jù)獲得的不同應(yīng)力條件下的恒定蠕變速度，在應(yīng)力與蠕變速度的對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作出 關(guān)系曲線。3實(shí)驗(yàn)表明，在同一溫度下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，其應(yīng)力與蠕變速度的對(duì) 數(shù)值之間呈線

25、性關(guān)系。 因此， 我們可采用較大的應(yīng)力， 以較短的試驗(yàn)時(shí)間 作出幾條蠕變曲線， 根據(jù)所測(cè)定的蠕變速度， 用內(nèi)插法或外推法求出規(guī)定 蠕變速度的應(yīng)力值，即得到蠕變極限。三、持久強(qiáng)度及其測(cè)定方法蠕變極限表征了金屬材料在高溫長(zhǎng)期載荷作用下對(duì)塑性變形的抗力， 但不能反映斷裂時(shí)的強(qiáng)度及塑性。 與常溫下的情況一樣， 材料在高溫下的 變形抗力與斷裂抗力是兩種不同的性能指標(biāo)。 因此，對(duì)于高溫材料還必須 測(cè)定其在高溫長(zhǎng)期載荷作用下抵抗斷裂的能力，即持久強(qiáng)度。金屬材料的持久強(qiáng)度，是在給定溫度（T）下，恰好使材料過(guò)規(guī)定時(shí)間（ t ）發(fā)生斷裂的應(yīng)力值，以 公斤力/ 毫米 2 來(lái)表示。這里所指的 規(guī)定時(shí)間是以機(jī)組的設(shè)計(jì)壽

26、命為依據(jù)。例如，對(duì)于鍋爐、汽輪機(jī)等，機(jī)組 的設(shè)計(jì)壽命為數(shù)萬(wàn)以至數(shù)十萬(wàn)小時(shí)， 而航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)則為一千或幾百小 時(shí)。某材料在700C承受300公斤力/毫米2的應(yīng)力作用，經(jīng)1, 000小時(shí) 后斷裂，則稱這種材料在700C、1, 000小時(shí)的持久強(qiáng)度 為30公斤力/毫米 2，寫成=30 公斤力 /毫米 2對(duì)于設(shè)計(jì)某些在高溫運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不考慮變形量的大小， 而只考慮在承 受給定應(yīng)力下使用壽命的機(jī)件來(lái)說(shuō)， 金屬材料的持久強(qiáng)度是極其重要的性 能指標(biāo)。金屬材料的持久強(qiáng)度是通過(guò)做持久試驗(yàn)測(cè)定的。 持久試驗(yàn)與蠕變?cè)囼?yàn) 相似，但較為簡(jiǎn)單， 一般不需要在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)定試樣的伸長(zhǎng)量， 只要測(cè) 定試樣在給定溫度和一定應(yīng)力

27、作用下斷裂時(shí)間。通過(guò)持久強(qiáng)度試驗(yàn)， 測(cè)量試樣在斷裂后的伸長(zhǎng)率及斷面收縮率， 還能 反映出材料在高溫下的持久塑性。 持久塑性是衡量材料蠕變脆性的一項(xiàng)重 要指標(biāo)，過(guò)低的持久塑性會(huì)使材料在使用中產(chǎn)生脆性斷裂。 實(shí)驗(yàn)表明， 材 料的持久塑性并不總是隨載荷持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。 因此，不能用外推 法來(lái)確定持久塑性的數(shù)值。 對(duì)于高溫材料持久塑性的具體指標(biāo)， 還沒(méi)有統(tǒng) 一規(guī)定。制造汽輪機(jī)、 燃?xì)廨啓C(jī)緊固件用的低合金鉻鉬鋇鋼， 一般希望持 久塑性（伸長(zhǎng)率）不小于 35%，以防止脆斷。四、影響蠕變極限和持久強(qiáng)度的因素由蠕變斷裂機(jī)理可知， 要降低蠕變速度提高蠕變極限， 必須控制位錯(cuò) 攀移的速度；要提高斷裂抗力，即

28、提高持久強(qiáng)度，必須抑制晶界的滑動(dòng)， 也就是說(shuō)要控制晶內(nèi)和晶界的擴(kuò)散過(guò)程。 這種擴(kuò)散過(guò)程主要取決于合金的 化學(xué)成分，但又同冶煉工藝、熱處理工藝等因素密切相關(guān)。（一）合金化學(xué)成分的影響1. 基體材料：耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點(diǎn)高、 自擴(kuò)散激活 能大或?qū)渝e(cuò)能低的金屬及合金。 這是因?yàn)樵谝欢囟认拢?熔點(diǎn)愈高的金屬 自擴(kuò)散愈慢； 如果熔點(diǎn)相同但結(jié)構(gòu)不同， 則自擴(kuò)散激活能愈高者， 擴(kuò)散愈 慢；堆垛層錯(cuò)能愈低者愈易產(chǎn)生擴(kuò)展位錯(cuò)， 使位錯(cuò)難以產(chǎn)生割階、 交滑移 及攀移。這些都有利于降低蠕變速度。 大多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)金屬的高溫強(qiáng) 度比體心立方結(jié)構(gòu)的高，這是一個(gè)重要原因。2. 溶質(zhì)元素： 在基體金屬中加

29、入鉻、 鎢、鈮等合金元素形成單相固溶 體，除產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用外， 還因合金元素使層錯(cuò)能降低， 易形成擴(kuò)展位 錯(cuò)，以及溶質(zhì)原子與溶劑原子的結(jié)合力較強(qiáng)， 增大了擴(kuò)散激活能， 從而提 高蠕變極限。 一般來(lái)說(shuō)，固溶元素的熔點(diǎn)愈高、 其原子半徑與溶劑的相差 愈大，對(duì)熱強(qiáng)性提高愈有利。3. 相：合金中如果含有彌散相， 由于它能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)的滑移與攀移， 因而是提高高溫強(qiáng)度更有效的方法。 彌散相粒子硬度高、 彌散度大、 穩(wěn)定 性高，則強(qiáng)化作用愈好。 對(duì)時(shí)效強(qiáng)化合金， 通常在基體中加入相同原子百 分?jǐn)?shù)的合金元素的情況下，多種元素要比單一元素的效果好。在合金中添加能增加晶界擴(kuò)散激活能的元素 （如硼及稀土等） ，則既 能阻礙晶界滑動(dòng)， 又增大晶界