文档介绍：第五章耐热钢
11/11/2017
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钢在高温下能够保持化学稳定性(耐腐蚀、不起皮)得品质,叫做钢的热稳定性;钢在高温下具有足够强度的品质,叫做钢的热强性。具有热稳定性和热强性的钢,称为耐热钢。
火电厂热力设备中很多零部件是在高温、高压和腐蚀介质中长期工作的。因此,这些零部件需用耐热钢制造。此外,耐热钢还用来制造汽车和飞机发动机的排气阀,化学热处理设备中的耐热构件等。
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一、高温对钢材强度的影响
钢材的工作温度超过某一温度后,钢的抗拉强度Rm要降低;钢材在高温下使用的时间越长,其强度极限也会越低。
第一节耐热钢的高温性能
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机械性能温度和实践的关系,可用强度极限与温度的关系曲线表示,如图5-1所示。
铁及其合金在200~300℃时的强度比室温时高,其脆性也比室温时大,这种现象称为兰脆。
从5-1中还可以看出,350℃以上时抗拉强度逐渐下降,强度曲线分为两根,上面的一根为快速试验时的强度曲线,下面的一根为缓慢试验时的强度曲线。
应力超过上面的曲线时,试样就断裂;应力低于下面的曲线时,一般认为试样不会发生断裂;应力位于两根曲线之间时,试样断裂需经过一定的时间。应力越接近上面的曲线,试样断裂所经历的时间越短。
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金属的强度是由晶内强度(晶粒内原子的引力)和晶界强度(晶界的结合力)两部分所组成。
常温下晶界强度大于晶界强度,这是因为晶界的原子排列不规则,而且晶体缺陷又较多,从而具有较大的抗变形能力,金属的破坏总是带有金属内破坏(穿晶破坏)的特点。
随着温度的升高,晶内强度和晶界强度都将下降。但晶界的原子比晶内的原子更不稳定,晶界的缺点又比晶内的多,在较高温度下原子的扩散速度就大,因此晶界强度的下降速度就快。到达某一温度后,晶界强度就底于晶内强度,如图5-2所示。
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晶内强度与晶界强度相等的温度,称为等强度温度(等强度)。如果工作温度超过等强度温度,刚才的破坏形式就开始转为晶粒之间的破坏(沿晶破坏),即在晶界处因晶粒之间的相对滑移而产生裂纹,然后裂纹沿晶界扩展,导致脆性断裂。
等强度温度与载荷速度(形变速度)等因素有关。等强度温度随着载荷速度的降低而下降。在热力设备中,有些零部件实在高温和应力的长期作用下(相当与载荷速度很小的情况下)工作的,刚才的破坏往往属于晶粒间的脆性断裂,在高速载荷下,如短期超温爆管(相当与冲击或短时拉伸),等强度温度就比较高,又会产生晶内(穿晶)塑性断裂的形式。
钢在常温下和高温下的断裂形式不同,说明温度对晶内强度和晶界强度的影响不同,这也意味着晶粒的大小对刚才强度的影响与温度密切相关。在常温下细晶粒对强度有利,而高温时(超过等强度温度)晶粒粗一些对强度有利。
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二、蠕变
(一)蠕变的概念
金属在一定的温度和应力的作用下,随着时间的增加,缓慢地发生塑性变形的现象,称为蠕变。某些低熔点的金属(如铅,锡等)在室温下也会发生蠕变。碳钢当温度超过350℃,低合金钢当温度超过350-400℃,在应力的长期作用下都有蠕变现象。
温度越高,应力越大,蠕变的速度也就越快。蠕变的形变量,叫做蠕胀。
高压锅炉和气轮机设备,可能引起蠕变的零部件很多,例如蒸汽过热器的蛇形管及其出口联箱,过热蒸汽管道和紧固件等。
蠕变现象严重会造成管壁的减薄,甚至会引起爆管,因此,抗蠕变能力的饿大小(蠕变极限)是衡量耐热钢高温机械性能的一个重要技术指标。
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(二)蠕变曲线
描述金属蠕变整个形变过程的曲线,叫做蠕变曲线。典型的蠕变曲线如图5-3所示。
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蠕变的变形过程分为三的阶段:
oa——开始部分。这是加上载荷所引起的瞬间变形。如果所加的应力值超过了该温度下的弹性极限,这种变形实际上包括弹性变形和塑性变形两部分。这一变形还不标志蠕变现象,而是外力家上后所引起的一般变形现象。
ab——蠕变第一阶段。这是蠕变的不稳定阶段,金属以逐渐减慢的的变形速度积累着塑性变形。这一阶段的蠕变速度是很大的。
bc——蠕变第二阶段。这是金属以恒定的蠕变速度产生塑性变形的阶段,这一阶段蠕变速度很小,bc近似直线,角a的正切表示蠕变速度。
cd——蠕变第三阶段。这是蠕变的最后阶段,金属以逐渐增加的变形速度积累着塑性变形量,直至d点发生断裂。
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不同的金属材料进行实验时,得到的蠕变曲线是不同,同一种金属材料的蠕变曲线也随着实验条件(温度,应力)的不同而不同。应力和温度对蠕变曲线的影响,如图5-4,图5-5所示。
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