航空工程材料蠕變極限和持久強(qiáng)度

1、蠕變極限和持久強(qiáng)度一、蠕變極限為保證在高溫長(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0.2相似，蠕變極限是高溫長(zhǎng)期載荷作用下材料對(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1×10-5%小時(shí)或1×10-4%小時(shí)。例如， =6公斤力/毫米2，表示在溫度為600的條件下，蠕變速度為1×10-5%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

2、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500溫度下，10萬(wàn)小時(shí)后變形量為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1×10-5%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)。

3、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1×10-4%/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)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?，F(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

4、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

5、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700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700、1，000小時(shí)的持久強(qiáng)度 為30公斤力/毫米2，寫(xiě)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，

6、只要測(cè)定試樣在給定溫度和一定應(yīng)力作用下斷裂時(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，即提高持久

7、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?，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：在基體金屬中加入鉻、鎢、鈮等合金元素形成單相固溶體，除產(chǎn)生固溶

8、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)，又增大晶界裂紋的表面能，因而對(duì)提高蠕變極限，特別是持久強(qiáng)度是很有效的。（二

9、）冶煉工藝的影響1.各種耐熱鋼及其合金的冶煉工藝要求較高，因?yàn)殇撝械膴A雜物和某些冶金缺陷會(huì)使材料的持久強(qiáng)度降低。高溫合金對(duì)雜質(zhì)元素和氣體含量要求更加嚴(yán)格，常存雜質(zhì)除硫、磷外，還有鉛、錫、銻、鉍等，即使其含量只有十萬(wàn)分之幾，當(dāng)其在晶界偏聚后，會(huì)導(dǎo)致晶界嚴(yán)重弱化，而使熱強(qiáng)性急劇降低，加工塑性變壞。例如，對(duì)某些鎳基合金的實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，經(jīng)過(guò)真空冶煉后，由于鉛的含量由百萬(wàn)分之五降至百萬(wàn)分之二以下，其持久時(shí)間增長(zhǎng)了一倍。2.由于高溫合金使用中通常在垂直于應(yīng)力方向的橫向晶界上易產(chǎn)生裂紋，因此，采用定向凝固工藝使柱狀晶沿受力方向生長(zhǎng)，減少橫向晶界，從而大大提高持久壽命。例如，某鎳基合金采用定向凝固工藝后，在7

10、60、66公斤力/毫米2應(yīng)力作用下的斷裂壽命可提高45倍。（三）熱處理工藝的影響1.珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝正火溫度應(yīng)較高，以促使碳化物較充分而均勻地溶于奧氏體中?；鼗饻囟葢?yīng)高于使用溫度100150以上，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。2.奧氏體耐熱鋼或合金一般進(jìn)行固溶處理和時(shí)效，使之得到適當(dāng)?shù)木Я６?，并改善?qiáng)化相的分布狀態(tài)。有的合金在固溶處理后再進(jìn)行一次中間處理（二次固溶處理或中間時(shí)效），使碳化物沿晶界呈斷續(xù)鏈狀析出，則可使持久強(qiáng)度和持久塑性進(jìn)一步提高。3.采用形變熱處理改變晶界形狀（形成鋸齒狀），并在晶內(nèi)造成多邊化的亞晶，則可使合金進(jìn)一步強(qiáng)化。如GH38、GH78型鐵基合金采用高溫形變熱處理后，在550和630的100小時(shí)持久強(qiáng)度分別提高25%和20%左右，而且還保持有較高的持久塑性。（四）晶粒度的影響晶粒大小對(duì)金屬材料高溫性能的影響很大。當(dāng)使用溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)晶粒鋼有較高的強(qiáng)度；當(dāng)使用溫度高于