耐熱金屬材料機(jī)械性能影響原因探索

李占才

（楚雄滇中有色金屬有限責(zé)任公司，云南 楚雄 675000)

1 引言

在航空、電力、冶金、化工、石油等許多行業(yè)中，鑒于材料經(jīng)常在較高溫度環(huán)境下工作，因此常常需要使用耐熱金屬材料。從耐熱金屬材料的工作環(huán)境來看，耐熱金屬材料應(yīng)該具有兩方面的性能，即金屬材料的高溫化學(xué)穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度。而對(duì)于耐熱金屬材料來說，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真研究分析其影響因素，從而針對(duì)原因而采取措施來提高耐熱金屬材料的機(jī)械性能。

2 耐熱金屬材料的機(jī)械性能

金屬在室溫下，塑性變形是通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行的，由于晶界具有高的強(qiáng)度，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有較大的阻力，所以室溫下晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高。高溫時(shí)，隨著溫度的升高，晶界的強(qiáng)度下降顯著，材料強(qiáng)度亦隨之下降。當(dāng)晶界強(qiáng)度與晶內(nèi)強(qiáng)度相等時(shí)，材料的強(qiáng)度就由晶界強(qiáng)度所決定，我們把這時(shí)的溫度稱為等強(qiáng)溫度。可以看出，隨著溫度的升高，金屬的斷裂方式會(huì)由穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榫чg斷裂，這時(shí)晶界越多，發(fā)生斷裂的可能性就越大，金屬的強(qiáng)度就越低。隨著溫度的升高，金屬的變形行為和失效形式與室溫相比有了較大的區(qū)別，主要表現(xiàn)在金屬的蠕變現(xiàn)象、金屬的持久強(qiáng)度、金屬的應(yīng)力松馳現(xiàn)象等，這些就是影響耐熱金屬材料機(jī)械性能的幾個(gè)范疇。

3 蠕變極限的影響原因

3.1 蠕變極限影響原理

對(duì)于耐熱金屬材料來說，其機(jī)械零部件要求在高溫耐熱條件下運(yùn)作，因此要求這些耐熱金屬材料的機(jī)械性能要求相當(dāng)高，例如要求其具有足夠的沖擊韌性、強(qiáng)度或者良好的焊接性以及加工性。而對(duì)于耐熱金屬材料來說，尤其是其熱強(qiáng)性對(duì)其機(jī)械性能起著關(guān)鍵作用。耐熱金屬材料在高溫下其各項(xiàng)機(jī)械性能，如金屬材料的屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、硬度等均比常溫下顯著降低。而影響耐熱金屬材料的熱強(qiáng)性，尤為主要的影響因素是其蠕變極限。

蠕變極限就是耐熱金屬材料在高溫極限下，引起金屬材料出現(xiàn)一定變形速度的應(yīng)力。把試樣加熱到一定溫度，同時(shí)加載一定荷載，長時(shí)間后就可以得到蠕變伸長率-時(shí)間曲線，如圖1所示；通過對(duì)不同溫度以及不同應(yīng)力試樣，從而得到多條蠕變曲線。

圖1 典型蠕變曲線

對(duì)于耐熱金屬材料來說，其蠕變不可避免，例如對(duì)于碳鋼來說，其在400℃以上就會(huì)發(fā)生顯著的蠕變現(xiàn)象。對(duì)于一些長期受高溫的金屬材料零部件來說，如鍋爐的爐管，由于蠕變將會(huì)造成爐管管徑越來越大，管壁變得越薄，最終造成爐管的爆破；例如蠕變將會(huì)造成汽輪機(jī)葉片與氣缸之間間隙消失而導(dǎo)致破壞。因此，對(duì)于耐熱金屬材料來說，熱強(qiáng)性和蠕變能力是決定耐熱金屬材料機(jī)械性能的影響因素，對(duì)于耐熱金屬材料來說，要求材料必須具有熱強(qiáng)性高、抗蠕變能力強(qiáng)的材料。

3.2 提高蠕變強(qiáng)度方式

研究表明，對(duì)于有較高含量的鉻和鎳，耐熱金屬材料具有較多蠕變強(qiáng)度，材料因此具有較好的耐高溫性，而且其在高溫下能長期作業(yè)。鑒于鎳(Ni)、鉻(Cr)含量高，使耐熱金屬材料具有良好的耐腐蝕性、耐氧化性以及耐高溫性。通過增加碳含量后，鑒于其固溶強(qiáng)化作用使耐熱金屬材料強(qiáng)度得到有效提高，通過在耐熱金屬材料以鉻、鎳為基礎(chǔ)的化學(xué)成分中摻入適量的鎢、鈮、鉬以及鈦等元素，因?yàn)榻饘俨牧系慕M織為面心立方結(jié)構(gòu)，因此在高溫下金屬材料仍有具有較高的強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度。

4 化學(xué)元素的影響原因

對(duì)于耐熱金屬材料來說，材料內(nèi)部的金屬元素對(duì)于其機(jī)械性能起著重要的決定因素之一。而耐熱金屬材料由于要在高溫下長期工作，因此為了能有效地確保耐熱金屬材料的高溫性能，必須向金屬材料中摻入一些元素。

例如，在耐熱金屬材料中加入鉬，可以有效地使金屬中的晶粒得到細(xì)化，從而提高金屬材料的淬透性和熱強(qiáng)性能，使耐熱金屬材料在高溫下仍能保持足夠的強(qiáng)度以及抗蠕變能力。另外，在耐熱金屬材料中加入鉬，不僅能提高材料的機(jī)械性能，還可以抑制金屬材料由高溫引起的脆性。另外，在金屬材料中常加入鋁元素，通過加入少量的鋁，同樣可有效地使金屬中的晶粒得到細(xì)化，提高耐熱金屬材料的沖擊韌性。同時(shí)因?yàn)殇X具有抗腐蝕性以及抗氧化性，鋁在耐熱金屬材料中的摻入，可有效地提高耐熱金屬材料在高溫下不起皮的性能以及耐高溫腐蝕的能力，但是鋁的過量加入又會(huì)對(duì)耐熱金屬材料的焊接性能、熱加工性能以及切削加工性能構(gòu)成影響。

化學(xué)元素會(huì)提高耐熱金屬材料的機(jī)械性能，但是同樣有部分化學(xué)元素如果摻入到材料中，會(huì)影響材料的機(jī)械性能。其中有幾種化學(xué)元素對(duì)耐熱金屬材料的機(jī)械性能影響尤為突出。

（1）錳元素（Mn）。錳在金屬材料中大多數(shù)起到脫氧劑的作用，其可提高金屬材料的強(qiáng)度或者硬度，同時(shí)由于提高了金屬材料的淬性，從而改善了耐熱金屬材料的熱加工性能。但是隨著錳含量的不斷增多，將會(huì)減弱耐熱金屬材料的抗腐蝕能力，降低了材料的焊接性能。

（2）硫和磷元素。硫和磷元素在耐熱金屬材料中都是有害元素，這兩種元素的增加會(huì)增加耐熱金屬材料的脆性，降低了金屬材料的塑性性能，對(duì)于耐熱金屬材料的焊接性能也會(huì)構(gòu)成影響。

5 焊條對(duì)金屬機(jī)械性能的影響原因

鑒于耐熱金屬材料要在高溫下長期工作，要有效地確保金屬材料的耐高溫性能，則必須向金屬材料中摻入一些元素。若焊縫材料與母材的化學(xué)成分相差較大，則金屬材料在高溫下工作，就會(huì)導(dǎo)致金屬接頭區(qū)域因?yàn)槟承┰氐臄U(kuò)散現(xiàn)象導(dǎo)致金屬接頭的機(jī)械性能由此下降，例如碳元素在熔合線附近的擴(kuò)散。因此，在進(jìn)行金屬材料的焊接而選擇焊接材料時(shí)，必須確保其焊縫性能與母材相一致。因此為了保證耐熱金屬材料的機(jī)械性能，焊縫金屬的化學(xué)成分應(yīng)當(dāng)盡可能與母材相一致。

另外，焊條中元素的含量以及焊接工藝燈都會(huì)影響金屬材料焊接后的機(jī)械性能。對(duì)于需要焊接的耐熱金屬材料來說，要有效地提高焊縫金屬材料的抗熱裂能力，就必須控制好焊縫中碳的含量標(biāo)準(zhǔn)，一般情況都要求焊縫的碳含量少于母材的碳含量，控制在0.07%～0.15%范圍之間。

6 提高耐熱金屬機(jī)械性能

從以上的耐熱金屬材料影響本質(zhì)來看，細(xì)化晶粒在常溫下是提高金屬材料性能的好方法，但是對(duì)于高溫金屬材料則是不適合的。所以，在高溫下工作的耐熱金屬材料常采用下列方法來提高金屬材料的機(jī)械性能。

（1）耐熱金屬材料的機(jī)械性能最基本是取決于原子間的結(jié)合力，原子排列越緊密，基體的機(jī)械性能也就高。

（2）耐熱金屬材料晶粒越細(xì)，蠕變發(fā)展的越明顯，粗晶粒鋼的蠕變速度較低。因此如在金屬材料中加入B、Re和堿土金屬，可以與S、P等雜質(zhì)生成穩(wěn)定難熔的化合物，減小了S、P雜質(zhì)對(duì)熱強(qiáng)性的影響，以達(dá)到純化（凈化）晶界目的。

7 結(jié)語

本文結(jié)合筆者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，深入分析了影響耐熱金屬材料機(jī)械性能的幾種主要原因，如蠕變極限、金屬材料中的化學(xué)成分以及焊條的焊接工藝等，針對(duì)這些影響原因，提出確保耐熱金屬材料機(jī)械性能的相關(guān)措施，旨在能給同行提供參考。

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