金属材料的高温特性说课材料.ppt

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1、金属材料的高温特性2.2金属疲劳金属材料在交变应力（随时间作周期性改变的应力）的长期作用下发生断裂破坏的现象称为金属疲劳。金属疲劳最易发生在做旋转或往复运动的金属部件上，如汽轮机的转子、叶片等。2.2.1疲劳破坏的特征由于频繁的设备启、停，变负荷运行时压力和温度的变化和波动，会导致金属部件突然断裂或破坏，因此疲劳破坏具有突然性的特征。经常发生在应力低于强度极限的情况下，属于低应力破坏。静载荷荷下属于有韧性的脆性断裂；交变应力下为无明显塑性变形的脆性断裂。2.2.2疲劳的分类按照疲劳试验中金属材料断裂破坏前经

2、历的负荷循环周期的多少分为：高周期疲劳：循环周期大于105小时，例如热疲劳。低周期疲劳：循环周期小于105小时，例如腐蚀疲劳。2.2.3疲劳产生的原因一般认为疲劳产生的原因为金属材料在交变应力作用下，虽然应力小于强度极限，但由于金属材料表面或内部有毛刺、划痕及杂质等缺陷，造成应力集中而导致微裂纹，由此产生疲劳源，在交变应力的长期作用下裂纹逐渐扩展，最终断裂破坏。2.2.4疲劳极限疲劳极限的定义为：金属材料在交变应力作用下，经无限次循环而不发生破坏所能承受的最大应力。2.2.5影响疲劳极限的因素内在因素：材料

3、本身的强度、塑性、组织结构、纤维方向、内部缺陷等，材料的强度和塑性越好，抗疲劳断裂的能力越大。外在因素：零件的工作条件、表面光洁度等。内部有夹杂、表面光洁度低，有刀痕和磨痕，都可以引起应力集中而使疲劳极限下降。其他因素：在酸性、碱性、盐的水溶液等腐蚀性介质中长期工作的金属部件，表面会发生腐蚀，腐蚀产物嵌入金属内，会造成应力集中而使疲劳极限下降。2.3金属蠕变金属材料在高温条件下工作，虽然受到的热应力较小，但长期在该应力的作用下，也会发生缓慢的但是连续的塑性变形。金属材料在一定的温度和压力下，随时间的延续所发

4、生的缓慢、连续的塑性变形现象称为蠕变现象，金属的变形称为蠕变。不同的金属材料，开始发生蠕变的温度各不相同，速度也不相同，且温度越高，蠕变现象愈显著。普通碳素钢发生蠕变约在200～350℃之间,合金钢则在400℃以上。电厂热力设备中，长期工作在高温下的过、再热器管道等都会发生蠕变现象，严重时会造成管壁变薄，强度下降，最后引起爆管事故。引起蠕变的应力可能是一种，也可能发生在复杂的应力下，多数情况下，引起蠕变的应力主要是由于拉应力。2.3.1蠕变过程金属蠕变时，其变形量（ε）与时间（τ）的关系曲线称为金属的蠕变曲

5、线。典型的金属蠕变曲线如图所示，大致可以分为四个阶段。瞬时变形阶段（受力瞬间产生的弹性变形或塑性变形）减速变形阶段（变形速度下降）稳定变形阶段（变形速度保持稳定）加速变形阶段（变形速度加快，直至发生断裂破坏）2.3.2应力与温度对蠕变的影响不同金属材料在相同条件下蠕变曲线不同，同一金属材料随着应力与温度的不同，蠕变曲线也不相同。蠕变直接影响到金属部件的寿命，在电厂中对金属部件的蠕变变形量有严格的要求。因此，对这些部件进行强度计算时，要以蠕变极限作为强度计算指标。2.3.3蠕变极限金属材料在一定温度下，在规定

6、时间内，产生小于某规定值的蠕变变形量或蠕变速度时所能承受的最大应力称为蠕变极限。表示试件在700℃，持续时间为10000h，产生的变形量为1%时，能承受的最大应力为20MPa。2.3.4持久强度金属材料在某一温度下，在规定时间内，产生断裂破坏时需要的最大应力值称为持久强度。表示试件在700℃，持续时间为100h，产生断裂破坏时需要的最大应力为30MPa。蠕变极限以材料变形为主，如汽轮机叶片，只允许产生一定的变形，设计时必须考虑蠕变极限。持久强度以材料产生断裂破坏时可以承受的应力为主，如锅炉受热面金属管，要求

7、运行中不发生爆管即可，设计时以持久强度作为其性能指标。2.3.5影响蠕变的因素通常认为影响蠕变的因素主要为金属材料的化学成分、冶炼工艺、晶粒大小及工作温度等。化学成分：普通碳钢的抗蠕变性能较差，蠕变起始温度大约为300℃。加入Cr、Mo、W等合金可以提高金属的抗蠕变性能，尤其以Mo最有效。冶炼工艺：电炉钢优于平炉钢，电炉钢中高频炉钢优于电弧炉钢。晶粒大小：粗晶粒钢具有较高抗蠕变性能，但晶粒变粗会降低金属材料的塑性和韧性。工作温度：温度越高，金属材料的抗蠕变性能会下降，温度波动也会加快金属材料的蠕变变形速度。

8、2.4金属松弛在一定高温和一定应力状态下，总变形保持不变，应力随时间逐渐降低的现象，称为金属的松弛。在松弛过程中，弹性变形逐渐减小，塑性变形逐渐增加，所以应力σ降低。紧固好的法兰螺栓，在运行中又自行变松的现象可以用金属松弛理论来解释。2.5金属脆化金属材料发生的脆化现象大致可分为两类：一类是在一定温度条件下出现的脆性，当温度条件改变后，脆性自动消失；或在一定温度下，经过一段时间后出现的脆性，但金属的组织并无明显变