航空工程材料蠕变极限和持久强度

1、蠕变极限和持久强度一、蠕变极限为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要求金属材料具有一定的蠕变极限。和常温下的屈服强度0.2相似，蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。蠕变极限两种表示方法：1在给定T下，使试样产生规定蠕变速度的应力值，以符号 公斤力/毫米2表示（其中 为第二阶段蠕变速度，%/小时）。在电站锅炉、汽轮机和燃气轮机制造中，规定的蠕变速度大多为1×10-5%小时或1×10-4%小时。例如， =6公斤力/毫米2，表示在温度为600的条件下，蠕变速度为1×10-5%小时的蠕变极限为6公斤力/毫米2。2在给定温度（T）下和在规定的

2、试验时间（t，小时）内，使试样产生一定蠕变形量（，%）的应力值，以符号 公斤力/毫米2表示。例如， =10公斤力/毫米2，就表示材料在500温度下，10万小时后变形量为1%的蠕变极限为10公斤力/毫米2。试验时间及蠕变变形量的具体数值是根据机件的工作条件来规定的。以上两种蠕变极限都需要试验到蠕变第二阶段若干时间后才能确定。3两种蠕变极限在应变量之间有一定的关系。例如，以蠕变速度确定蠕变极限时，当恒定蠕变速度为1×10-5%小时，就相当于100，000小时的应变量为1%。这与以应变量确定蠕变极限时的100，000小时的应变量为1%相比，仅相差 （见图9-2），但其差值甚小，可忽略不计。

3、因此，就可认为两者所确定的应变量相等。同样，蠕变速度为1×10-4%/小时，应相当于10，000小时的应变量为1%。二、蠕变极限测定方法测定金属材料蠕变极限所采用的试验装置，如图811所示。试样的蠕变试验用试样的形状、尺寸及制备方法、试验程序和操作方法等，可有关国家标准的规定进行。现以第二阶段蠕变速度所定义蠕变极限为例，说明其测定的方法。1在一定温度和不同的应力条件下进行蠕变试验。每个试样的试验持续时间不少于20003000小时。根据所测定的应变量与时间的关系，作出一组蠕变曲线。每一条蠕变曲线上直线部分的斜率，就是第二阶段恒定蠕变速度。2根据获得的不同应力条件下的恒定蠕变速度，在应力

4、与蠕变速度的对数坐标上作出 关系曲线。3实验表明，在同一温度下进行蠕变试验，其应力与蠕变速度的对数值之间呈线性关系。因此，我们可采用较大的应力，以较短的试验时间作出几条蠕变曲线，根据所测定的蠕变速度，用内插法或外推法求出规定蠕变速度的应力值，即得到蠕变极限。三、持久强度及其测定方法蠕变极限表征了金属材料在高温长期载荷作用下对塑性变形的抗力，但不能反映断裂时的强度及塑性。与常温下的情况一样，材料在高温下的变形抗力与断裂抗力是两种不同的性能指标。因此，对于高温材料还必须测定其在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力，即持久强度。金属材料的持久强度，是在给定温度（T）下，恰好使材料过规定时间（t）发生断裂

5、的应力值，以 公斤力/毫米2来表示。这里所指的规定时间是以机组的设计寿命为依据。例如，对于锅炉、汽轮机等，机组的设计寿命为数万以至数十万小时，而航空喷气发动机则为一千或几百小时。某材料在700承受300公斤力/毫米2的应力作用，经1，000小时后断裂，则称这种材料在700、1，000小时的持久强度 为30公斤力/毫米2，写成 =30公斤力/毫米2。对于设计某些在高温运转过程中不考虑变形量的大小，而只考虑在承受给定应力下使用寿命的机件来说，金属材料的持久强度是极其重要的性能指标。金属材料的持久强度是通过做持久试验测定的。持久试验与蠕变试验相似，但较为简单，一般不需要在试验过程中测定试样的伸长量，

6、只要测定试样在给定温度和一定应力作用下断裂时间。通过持久强度试验，测量试样在断裂后的伸长率及断面收缩率，还能反映出材料在高温下的持久塑性。持久塑性是衡量材料蠕变脆性的一项重要指标，过低的持久塑性会使材料在使用中产生脆性断裂。实验表明，材料的持久塑性并不总是随载荷持续时间的延长而降低。因此，不能用外推法来确定持久塑性的数值。对于高温材料持久塑性的具体指标，还没有统一规定。制造汽轮机、燃气轮机紧固件用的低合金铬钼钡钢，一般希望持久塑性（伸长率）不小于35%，以防止脆断。四、影响蠕变极限和持久强度的因素由蠕变断裂机理可知，要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速度；要提高断裂抗力，即提高持久

7、强度，必须抑制晶界的滑动，也就是说要控制晶内和晶界的扩散过程。这种扩散过程主要取决于合金的化学成分，但又同冶炼工艺、热处理工艺等因素密切相关。（一）合金化学成分的影响1.基体材料：耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。这是因为在一定温度下，熔点愈高的金属自扩散愈慢；如果熔点相同但结构不同，则自扩散激活能愈高者，扩散愈慢；堆垛层错能愈低者愈易产生扩展位错，使位错难以产生割阶、交滑移及攀移。这些都有利于降低蠕变速度。大多数面心立方结构金属的高温强度比体心立方结构的高，这是一个重要原因。2.溶质元素：在基体金属中加入铬、钨、铌等合金元素形成单相固溶体，除产生固溶

8、强化作用外，还因合金元素使层错能降低，易形成扩展位错，以及溶质原子与溶剂原子的结合力较强，增大了扩散激活能，从而提高蠕变极限。一般来说，固溶元素的熔点愈高、其原子半径与溶剂的相差愈大，对热强性提高愈有利。3.相：合金中如果含有弥散相，由于它能强烈阻碍位错的滑移与攀移，因而是提高高温强度更有效的方法。弥散相粒子硬度高、弥散度大、稳定性高，则强化作用愈好。对时效强化合金，通常在基体中加入相同原子百分数的合金元素的情况下，多种元素要比单一元素的效果好。在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素（如硼及稀土等），则既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹的表面能，因而对提高蠕变极限，特别是持久强度是很有效的。（二

9、）冶炼工艺的影响1.各种耐热钢及其合金的冶炼工艺要求较高，因为钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度降低。高温合金对杂质元素和气体含量要求更加严格，常存杂质除硫、磷外，还有铅、锡、锑、铋等，即使其含量只有十万分之几，当其在晶界偏聚后，会导致晶界严重弱化，而使热强性急剧降低，加工塑性变坏。例如，对某些镍基合金的实验结果指出，经过真空冶炼后，由于铅的含量由百万分之五降至百万分之二以下，其持久时间增长了一倍。2.由于高温合金使用中通常在垂直于应力方向的横向晶界上易产生裂纹，因此，采用定向凝固工艺使柱状晶沿受力方向生长，减少横向晶界，从而大大提高持久寿命。例如，某镍基合金采用定向凝固工艺后，在7

10、60、66公斤力/毫米2应力作用下的断裂寿命可提高45倍。（三）热处理工艺的影响1.珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺正火温度应较高，以促使碳化物较充分而均匀地溶于奥氏体中。回火温度应高于使用温度100150以上，以提高其在使用温度下的组织稳定性。2.奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理和时效，使之得到适当的晶粒度，并改善强化相的分布状态。有的合金在固溶处理后再进行一次中间处理（二次固溶处理或中间时效），使碳化物沿晶界呈断续链状析出，则可使持久强度和持久塑性进一步提高。3.采用形变热处理改变晶界形状（形成锯齿状），并在晶内造成多边化的亚晶，则可使合金进一步强化。如GH38、GH78型铁基合金采用高温形变热处理后，在550和630的100小时持久强度分别提高25%和20%左右，而且还保持有较高的持久塑性。（四）晶粒度的影响晶粒大小对金属材料高温性能的影响很大。当使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度；当使用温度高于