鋼材在低溫、中溫、高溫下,性能不同

1、3.3.1 溫度 不同用途的壓力容器的工作溫度不同。鋼材在低溫、中溫、高溫下，性能不同。高溫下，鋼材性能往往與作用時(shí)間有關(guān)。介紹幾種狀況的影響:一、短期靜載下溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響1、高溫下在溫度較高時(shí)，僅僅依據(jù)常溫下材料抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)來打算許用應(yīng)力是不夠的，一般還應(yīng)考慮設(shè)計(jì)溫度下材料的屈服點(diǎn)。2、低溫下隨著溫度降低，碳素鋼和低合金鋼的強(qiáng)度提高，而韌性降低。當(dāng)溫度低于20時(shí)，鋼材可接受20時(shí)的許用應(yīng)力。韌脆性轉(zhuǎn)變溫度（或脆性轉(zhuǎn)變溫度）當(dāng)溫度低于某一界限時(shí)，鋼的沖擊吸取功大幅度地下降，從韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度常被稱為韌脆性轉(zhuǎn)變溫度或脆性轉(zhuǎn)變溫度。圖 3-3 溫度對(duì)低碳鋼力學(xué)性能的影響

2、(圖3-4 低碳鋼沖擊吸取功和溫度的關(guān)系曲線)低溫變脆的金屬：具有體心立方晶格的金屬如碳素鋼和低合金鋼。低溫仍有很高韌性的金屬：面心立方晶格材料如銅、鋁和奧氏體不銹鋼，沖擊吸取功隨溫度的變化很小，在很低的溫度下仍具有高的韌性。二、高溫、長期靜載下鋼材性能蠕變現(xiàn)象：在高溫存恒定載荷的作用下，金屬材料會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間而進(jìn)展的塑性變形，這種現(xiàn)象被稱為蠕變現(xiàn)象?？隙ǖ膽?yīng)力作用下，碳素鋼（>420度）合金鋼(>400-500度)時(shí)發(fā)生蠕變。蠕變的危害:蠕變的結(jié)果是使壓力容器材料產(chǎn)生蠕變脆化、應(yīng)力松弛、蠕變變形和蠕變斷裂。 因此,高溫壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)實(shí)行措施防止蠕變破壞發(fā)生。1、蠕變曲線蠕變曲線三

3、階段：減速蠕變，恒速蠕變，加速蠕變。oa線段試樣加載后的瞬時(shí)應(yīng)變。a點(diǎn)以后的線段從a點(diǎn)開頭隨時(shí)間增長而產(chǎn)生的應(yīng)變才屬于蠕變。蠕變曲線上任一點(diǎn)的斜率表示該點(diǎn)的蠕變速率。ab為蠕變的第一階段:即蠕變的不穩(wěn)定階段，蠕變速率隨時(shí)間的增長而漸漸降低，因此也稱為蠕變的減速階段。bc為蠕變的其次階段:在此階段，材料以接近恒定蠕變速率進(jìn)行變形，故也稱為蠕變的恒速階段。cd為蠕變的第三階段:在這階段里蠕變速度不斷增加，直至斷裂。圖3-5 蠕變應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系對(duì)于同一材料，轉(zhuǎn)變溫度或轉(zhuǎn)變應(yīng)力，蠕變曲線都會(huì)不同：當(dāng)應(yīng)力較小或溫度很低時(shí)，其次階段的持續(xù)時(shí)間長，甚至無第三階段；相反，當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時(shí)，其次階段持續(xù)

4、時(shí)間短，甚至完全消逝。2、蠕變極限與長久強(qiáng)度 a、蠕變極限是高溫長期載荷作用下，材料對(duì)變形的抗力。蠕變極限表示法:在給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的其次階段蠕變速率的應(yīng)力值。在給定溫度和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生肯定量的蠕變總伸長率的應(yīng)力值（常用）b、長久強(qiáng)度在給定的溫度下，經(jīng)過肯定時(shí)間后發(fā)生斷裂時(shí)構(gòu)件所能承受的最大應(yīng)力?？紤]蠕變極限和長久強(qiáng)度的場合：a.蠕變極限適用于在高溫運(yùn)行中要嚴(yán)格把握變形的零件的設(shè)計(jì)，如渦輪葉片 b.高溫壓力容器設(shè)計(jì)中，不僅要防止過大的變形，而且要確保在規(guī)定條件下不會(huì)蠕變斷裂，往往 同時(shí)用蠕變極限和長久強(qiáng)度來確定許用應(yīng)力。（蠕變極限常用其次種表示法，且一般規(guī)定時(shí)間為 105h，

5、總伸長率為1%；確定長久強(qiáng)度的時(shí)間為105h。）溫度和應(yīng)力對(duì)蠕變斷裂形式有顯著的影響在高應(yīng)力、較低的溫度時(shí)，斷裂后伸長率較高，斷口呈韌性形態(tài)；而在應(yīng)力低、溫度高時(shí)，斷裂前塑性變形小，斷裂呈脆性，斷后伸長率較低，縮頸很小,在晶體內(nèi)部常發(fā)覺大量的細(xì)小裂紋。松弛:在常溫下工作的零件，在發(fā)生彈性變形后，假如變形總量保持不變，則零件內(nèi)的應(yīng)力將保持不變。但在高溫存應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的增長，假如變形總量保持不變，因蠕變而漸漸增加的塑性變形將逐步代替原來的彈性變形，從而使零件內(nèi)的應(yīng)力漸漸降低，這種現(xiàn)象稱為松馳。如高溫壓力容器中的連接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏。三、高溫下材料性能的劣化 在高溫下長期工作的

6、鋼材性能的劣化主要有：1.蠕變脆化（前面已經(jīng)講了）2.珠光體球化危害：使材料的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變極限和長久極限下降。例如，中度球化會(huì)使碳素鋼常溫強(qiáng)度下降10%-15%;嚴(yán)峻球化時(shí)下20%-30%。已發(fā)生球 化的鋼材可接受熱處理的方法使之恢復(fù)原來的組織。3.石墨化危害：使金屬發(fā)生脆化，強(qiáng)度和塑性降低，沖擊值降低得更多。產(chǎn)生環(huán)境：石墨現(xiàn)象只消滅在肯定的高溫范圍。對(duì)碳素鋼和碳錳鋼，當(dāng)在溫度425oC以上長期工作時(shí)都有可能發(fā)生石墨化。溫度上升，使石墨化加劇，但溫度過高，非但不消滅石墨化現(xiàn)象，反而使己生成的石墨與鐵化合成滲碳體。預(yù)防：要阻擋石墨化現(xiàn)象，可在鋼中加入與碳結(jié)合力量強(qiáng)的合金元素，

7、如鉻、鈦、釩等，但硅、鋁、鎳等卻起促進(jìn)石墨化的作用。4.回火脆化高溫臨氫設(shè)備常使用的12Cr1MoV等鉻鉬鋼，長期在325-575oC下使用，或者從今溫度 范圍緩慢冷卻，脆性轉(zhuǎn)變溫度會(huì)上升，韌性降低，這種現(xiàn)象稱為回火脆化。爭辯表明：影響2.25Cr-1Mo鋼回火脆化的主要因素為化學(xué)成分和熱處理?xiàng)l件。 P、Sb、Sn和As等雜質(zhì)元素越多，奧氏體化溫度越高，2.25Cr-1Mo鋼對(duì)回火脆化越敏感。5.氫腐蝕和氫脆氫能引起材料多種類型的性質(zhì)劣化，但加氫反應(yīng)器等壓力容器中常見的是氫腐蝕和氫脆。a.氫腐蝕 是指高溫高壓下氫與鋼中的碳形成甲烷的化學(xué)反應(yīng)，又稱為氫蝕。氫腐蝕有兩種形式：(導(dǎo)致裂紋)一是和鋼表

8、面的碳化合生成甲烷，引起鋼表面脫碳， 使力學(xué)性能惡化；二是滲透到鋼內(nèi)部，與滲碳體反應(yīng)生成甲烷。影響氫腐蝕的因素主要有：溫度、氫分壓、時(shí)間、合金成分、應(yīng)力等。一般狀況下，碳素鋼在200以上的高壓氫環(huán)境中才會(huì)發(fā)生氫腐蝕。鋼 中加入鉻、釩、鈦、鎢等能形成穩(wěn)定碳化物的元素含量，可提高鋼抗氫 腐蝕的力量。奧氏體不銹鋼可以很好地抵制氫腐蝕。目前，一般依據(jù)Neson曲線選用抗氫用鋼。依據(jù)該曲線，碳素鋼在氫分 壓小于3.45MPa時(shí)，允許的使用溫度約為250; 1.25Cr-0.5Mo鋼在氫 分壓小于6.9MPa時(shí)的允許使用溫度大約為520。b.氫脆 指鋼因吸取氫而導(dǎo)致韌性下降的現(xiàn)象。氫的來源:內(nèi)部氫，指鋼在冶煉、焊接、酸洗等過程中吸取的氫；外部氫，指鋼在氫環(huán)境中使用時(shí)所吸取的氫。在高溫、高氫分壓環(huán)境下工作的壓力容器，在停車時(shí)，應(yīng)先降壓，保溫消氫（200以上）后，再降至常溫。切不行先降溫后降壓。除以上4種劣化外，還要留意： 鋼材長時(shí)間在高溫下，還會(huì)發(fā)生合金元素在固溶體和碳化物