鋼材金屬材料在高溫下的力學(xué)性能與室溫下有很大不同，影響因素也比室溫下復(fù)雜得多。室溫下材料力學(xué)性能與載荷保持時(shí)間關(guān)系不大，但是高溫下材料性能與時(shí)間有重大關(guān)系。高溫下金屬材料的組織可能發(fā)生變化，從而使性能也發(fā)生明顯變化。隨著溫度的升高，材料受環(huán)境、介質(zhì)的腐蝕作用也加劇，這也會影響材料性能。
金屬材料的高溫力學(xué)性能主要包括高溫蠕變、松弛、高溫疲勞、高溫短時(shí)拉伸性能及高溫硬度等。
一、高溫蠕變
1.1 蠕變現(xiàn)象
金屬在一定溫度和一定壓力作用下，隨著時(shí)間增加，塑性變形緩慢增加的現(xiàn)象稱為蠕變。
圖1 為典型的蠕變曲線（ε-t曲線），它可分為三個(gè)區(qū)域（或三個(gè)階段）。
▲圖1 典型的蠕變曲線
區(qū)域Ⅰ（ab）為第一階段，是減速蠕變階段。加載后蠕變速度逐漸減少，如圖2所示。
區(qū)域Ⅱ（bc）即第二階段是恒速蠕變階段。這一階段如蠕變速度幾乎恒定，蠕變速度最小。通常所說的蠕變速度都是指這一階段的速度。
區(qū)域Ⅲ（cd）即第三階段，是加速蠕變階段，當(dāng)變形達(dá)到c以后，蠕變速度迅速增加，達(dá)到d時(shí)斷裂。
▲圖2 
-t關(guān)系曲線
當(dāng)在恒定溫度下改變應(yīng)力或在恒定應(yīng)力下改變溫度時(shí)，所得的蠕變曲線如圖3、圖4所示，都保持這三個(gè)階段。當(dāng)應(yīng)力較小或溫度較低時(shí)，則其第二階段（即等速蠕變階段）可以延續(xù)的很長；相反，當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時(shí)，則第二階段很短甚至消失，這時(shí)蠕變就只有第一、第二階段，試樣在短時(shí)間內(nèi)斷裂。
▲圖3 應(yīng)力對蠕變曲線的影響
▲圖4 溫度對蠕變曲線的影響
蠕變曲線所表示的ε-t關(guān)系常采用下式表達(dá)：
ε=ε0+βt?+kt （1）
右邊一項(xiàng)是瞬時(shí)應(yīng)變，包括起始彈性形變和塑性形變（這個(gè)值隨加載方法、形變的測定方法和精度等的不同，可能帶來不同的誤差），第二項(xiàng)是減速蠕變的應(yīng)變，第三項(xiàng)是恒速蠕變引起的應(yīng)變。
將式（1）對時(shí)間求導(dǎo)則得：
（2）
式中，n 為小于 1 的正數(shù)。
當(dāng) t 很小時(shí)，右邊第一項(xiàng)起決定作用。隨著時(shí)間增加，應(yīng)變速度逐漸減小，它表示第一階段蠕變。當(dāng)時(shí)間繼續(xù)增大時(shí)，第二項(xiàng)開始起主要作用，此時(shí)應(yīng)變速度接近恒定值，即表示第二階段蠕變。
1.2 蠕變極限及其測定方法
金屬拉伸蠕變，其試驗(yàn)方法在GB/T2039-xxxx中有詳細(xì)規(guī)定。材料的蠕變極限是根據(jù)蠕變曲線來確定的。確定蠕變極限有兩種方法。
（MPa），其中 t 表示實(shí)驗(yàn)溫度 （℃），為第二階段的蠕變速度（%/h）。例如，
=60MPa表示溫度600℃，蠕變速度為1X10E-5%/h條件下的蠕變極限。 第二種：在一定溫度下， 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，恰好產(chǎn)生某一允許的總變形量，把對應(yīng)的應(yīng)力值定義為條件蠕變極限，這種條件下的蠕變極限記為
（MPa），其中 δ/τ 表示在規(guī)定時(shí)間 τ 內(nèi)，使試樣產(chǎn)生蠕變變形量δ%。例如
=10MPa表示在500℃下，10萬小時(shí)后，變形量為1%的蠕變極限為10MPa。
這種條件蠕變極限可以這樣來確定：首先在一定溫度t1 恒定應(yīng)力σ1 下作蠕變試驗(yàn)（參見圖3）。這時(shí)無需花很多時(shí)間做出整條曲線，只需進(jìn)行到第二階段若干時(shí)間后，便可在 σ- ε-t 曲線上確定此時(shí)第二階段的平均蠕變1 。同樣，若保持溫度 t1 而改變應(yīng)力 σ2，便可得2 …… 這樣可得到 t1 溫度下一系列不同應(yīng)力σ對應(yīng)的不同 ，可作出如圖5 所示的 lgσ-lg 曲線。
▲圖5 不同溫度下lgσ-lg曲線
因此在雙對數(shù)坐標(biāo)上可用下列公式表示：
=
式中 a、b 是 與溫度、材料試驗(yàn)條件有關(guān)的常數(shù)。
在動力工程中，如果規(guī)定，在 t1溫度下=10E-6%/h，則根據(jù)e ，在lgσ-lg 曲線上很容易確定t1溫度下的 σe 。
另外，根據(jù)lgσ-lg 曲線的線性關(guān)系可以看出，在采用較大應(yīng)力，用較短時(shí)間做出幾條曲線后，便可以用外推法求出較小蠕變速度下的蠕變極限。不過這種推算出來的數(shù)據(jù)不是來源于試驗(yàn)，使用時(shí)候要謹(jǐn)慎。
各種Cr-Mo鋼的蠕變極限強(qiáng)度隨溫度變化曲線如圖6 所示。可用看出，隨溫度升高，蠕變強(qiáng)度明顯下降。
▲圖6 各種Cr-Mo鋼的溫度-蠕變強(qiáng)度曲線
測定蠕變極限的試驗(yàn)裝置如圖7所示。
1.3 持久強(qiáng)度極限、持久塑性及其測定方法
1.3.1 持久強(qiáng)度極限
蠕變極限以考慮變形為主，如燃?xì)廨啓C(jī)葉片在長期運(yùn)行中，只允許產(chǎn)生一定量的變形量，在設(shè)計(jì)師必須考慮蠕變極限。持久強(qiáng)度則主要考慮材料在高溫長時(shí)間使用條件下的斷裂抗力，對某些零件（如鍋爐管道、噴氣式發(fā)動機(jī)等）等的蠕變變形要求不嚴(yán)，但必須保證在使用時(shí)不壞，這就要求持久強(qiáng)度極限來作為設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。
高溫拉伸持久實(shí)驗(yàn)方法在GB/T2039-xxxx中有詳細(xì)規(guī)定。持久強(qiáng)度極限是指試樣在一定溫度和規(guī)定持續(xù)時(shí)間內(nèi)引起斷裂的最大應(yīng)力值。記做
各種耐熱材料和耐熱合金的持久強(qiáng)度極限見圖8 和 圖9 。
鍋爐、汽輪機(jī)等機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命為數(shù)萬至數(shù)十萬小時(shí)。對于長壽命的持久強(qiáng)度極限，可以通過采用增大應(yīng)力，縮短斷裂時(shí)間的方法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式外推到低應(yīng)力長時(shí)間的持久強(qiáng)度極限。下面主要簡述對數(shù)外推法：
t=Aσ （4）
西門子燃?xì)廨啓C(jī)
exp（-t/t0） （7）
-第二階段初始應(yīng)力
▲圖13 應(yīng)力松弛原始曲線
圖14 松弛曲線
▲圖15 半對數(shù)松弛曲線
（8） 與σ的關(guān)系，見圖16 。
▲圖16 應(yīng)力-塑性變形速度曲線
p 同時(shí)取決于應(yīng)力和塑性應(yīng)變；而第二階段幾乎與應(yīng)變沒有沒有關(guān)系，僅僅取決于應(yīng)力。這表明松弛的第一、二階段與蠕變的第一、二階段有相似的關(guān)系。
▲圖17 松弛試驗(yàn)
計(jì)算機(jī)控制高溫蠕變試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖
如果沒有上述試驗(yàn)機(jī)，可采用一般蠕變試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，也稱 Kobinson 法。如圖18所示 。
也可以采用環(huán)形試樣進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，其試樣形狀和尺寸如圖19 所示 。
▲圖20 一些經(jīng)1000h總應(yīng)變約為0.2%的材料的應(yīng)力松弛曲線
三、其它高溫力學(xué)性能
3.1 高溫短時(shí)拉伸性能
評定耐熱材料的力學(xué)性能時(shí)，雖然短時(shí)拉伸性能不如蠕變和持久強(qiáng)度重要，但如果工作時(shí)間很短（例如火箭、導(dǎo)彈中的某些零件），或零件工作溫度不高（在400℃以下使用的鋼鐵材料），且蠕變現(xiàn)象并不起重要作用，以及檢查材料的熱塑性等情況時(shí)，短時(shí)間高溫拉伸性具有重要意義。
簡單的高溫拉伸試驗(yàn)可在普通的拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，只需附加加熱與測量裝置和耐高溫的試驗(yàn)夾具及引伸計(jì)，即可測定高溫抗拉強(qiáng)度、彈性模量、伸長率、斷面收縮率等拉伸性能指標(biāo)。但在高溫短時(shí)拉伸時(shí)，實(shí)驗(yàn)溫度和載荷持續(xù)時(shí)間或開始速度對性能也有顯著影響，特別是加載速度和載荷持續(xù)時(shí)間及溫度波動（例如±5℃）的影響更大。一般高溫下的加載時(shí)間和持續(xù)時(shí)間比常溫下要長。常溫拉伸試驗(yàn)的加載速度通常為5~10MPa/s，高溫短時(shí)拉伸加載速度較慢，一般為2.5~3MPa/s。高溫加載時(shí)間一般以20~30min為宜，否則會帶來較大誤差。
高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖
3.2 高溫硬度
高溫硬度用于衡量材料在高溫下抵抗塑性變形的能力。對于高溫軸承以及某些高溫下工作的工模具材料，高溫硬度是重要的質(zhì)量指標(biāo)。隨著高溫合金的開發(fā)，特別是高溫陶瓷材料的開發(fā)，這方面的知識已得到廣泛的應(yīng)用。
高溫硬度試驗(yàn)首先遇到的是壓頭問題。壓頭必須在高溫下仍能保持足夠的硬度并且十分穩(wěn)定，與試樣不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等。
一般布氏硬度試驗(yàn)采用耐熱鋼、硬質(zhì)合金或特殊陶瓷材料制成的壓頭。
金剛石壓頭雖經(jīng)常使用，但必須注意，因被測試樣種類不同，不能應(yīng)用的場合很多。例如，600℃附近與鋼材發(fā)生反應(yīng)，1000℃時(shí)與純鐵發(fā)生粘著；900℃反復(fù)試驗(yàn)幾次后壓頭便變鈍損壞；在850℃以上易于 Ti 和 Cr 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等。
對于金屬試樣，常用藍(lán)寶石做壓頭，另外做壓頭材料的還有B4C、SiC等陶瓷材料。對一部分陶瓷材料，若不發(fā)生反應(yīng)，使用溫度可達(dá)1500℃ 。
高溫顯微硬度計(jì)實(shí)物圖
▲圖23 疲勞強(qiáng)度和持久強(qiáng)度的關(guān)系
、應(yīng)力和應(yīng)變波形等。一般在高溫下，頻率的變化會大大影響裂紋的萌生和擴(kuò)展的循環(huán)周次。圖24所示 為頻率與溫度對不同滑移材料疲勞壽命的影響。
圖25所示 為加載波形和保持時(shí)間對疲勞壽命的影響。
▲圖25 加載波形和保持時(shí)間對疲勞壽命的影響
由該圖可見，在循環(huán)拉伸側(cè)保持一段時(shí)間，使疲勞壽命下降。實(shí)際上，如果要綜合考慮溫度、時(shí)間對高溫疲勞壽命的影響，必須同時(shí)考慮蠕變與疲勞兩者以及他們之間的相互作用，即由兩者的綜合作用引起的構(gòu)件失效。
3.3.3 蠕變與高溫疲勞的交互作用
在高溫下工作的許多實(shí)際工程構(gòu)件，如燃?xì)廨啓C(jī)、核反應(yīng)堆零件、化學(xué)高溫容器等，在工作時(shí)雖承受了循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變載荷的作用，但設(shè)計(jì)時(shí)不能進(jìn)單一地按疲勞蠕變作設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，必須考慮兩者的交互作用。
蠕變與疲勞的相互作用，目前已提出許多理論，如線性損傷積累理論、應(yīng)變分區(qū)理論，塑性耗竭理論等。下面簡單介紹線性損傷積累理論。該理論認(rèn)為：蠕變引起的損傷Φe與疲勞引起的損傷Φf是各自獨(dú)立的，兩種損傷可以互相疊加（Φf+Φe），當(dāng)他們達(dá)到材料允許極限損傷Φt時(shí)，尺寸便失效。因此設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為：
Φf+Φe≤Φt （10）
該式可以進(jìn)一步表示為：
（11）
式中 Nd——允許的循環(huán)次數(shù)
Td ——允許的蠕變斷裂時(shí)間
n—— 實(shí)際循環(huán)次數(shù)
t ——實(shí)際蠕變時(shí)間
式（11）是 Palmgrem-Miner 經(jīng)典損傷法則的表達(dá)式。
我國自主研發(fā)的第三代核反應(yīng)堆
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