金屬材料的高溫蠕變性能分析

黃建輝

（哈爾濱松江電機有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

金屬是工業應用最廣泛的材料之一。許多金屬元素，由于其自身性能的限制，不適合在高溫下作業。但是在能源化工，冶金等領域，許多零構件又必須在高溫高壓系統中長期運轉，例如，高壓鍋爐、反應容器、蒸汽輪機等，這就對其使用材料提出了更高的要求。而且，我們也不能再用一些常溫性能指標來衡量其高溫力學性能。所以，深入了解金屬材料的高溫力學性能，正確評估構件的使用壽命和安全性，成為材料科學研究的重中之重。

周圍生活中，我們會發現，燈泡用久了，就很容易壞掉。其中一個重要原因就是燈絲由于自身的重量產生的應力，引起燈絲發生形變。過多的形變會使燈絲相互接觸，引起短路，隨之也就廢掉。還有蒸汽渦輪發電站中，發動機長期處于高溫高壓系統中，渦輪葉片就會發生形變，積累到一定程度就會接觸到外套，影響正常工作。這些都是金屬材料在高溫的一個重要力學現象——蠕變。

所謂蠕變，是指在一定的溫度和較小的恒定外力（拉力、壓力、扭力）作用下，材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現象。嚴格來說，蠕變可以發生在任何溫度，但是只有當T／TM大于0.3時，蠕變現象才會明顯。這樣說來蠕變的研究對于金屬材料的高溫使用有著重要的意義，下面我們從以下幾個方面來簡單分析一下金屬材料的蠕變。

1 蠕變的宏觀規律

金屬材料蠕變的宏觀規律我們可以用蠕變曲線來描述。曲線上任一點的斜率來表示該狀態的蠕變速率，并按其速率大小可以分為三個階段：

1.1 減速階段

蠕變的速率隨時間的延長而減小。又稱為過渡蠕變階段，實質上是一個加工硬化過程。

1.2 恒速階段

蠕變速率幾乎不變，又稱為穩態蠕變階段。其穩態蠕變速率決定了蠕變壽命及總的伸長量。

1.3 加速蠕變階段

蠕變速率一直增大直到發生斷裂。

影響蠕變過程的根本原因在于材料自身性質。但對于同種材料來說，蠕變過程的兩個重要參數是溫度和應力。增大應力或是提高溫度時，蠕變壽命變短，變形速度快，耐高溫性能差。

2 金屬高溫力學性能指標

金屬高溫力學性能指標主要有蠕變極限，持久強度和應力松弛的穩定性。這些參數可以用于評定金屬的蠕變性能。

蠕變極限 蠕變極限是指高溫長時間載荷作用下，機件不致產生過量塑性變形的拉力指標。蠕變極限與常溫下機件設計的選用是相似的，材料蠕變極限中所選用的溫度和時間，一般是由機件的具體服役條件來決定的。必須確保應力在一定的溫度和時間范圍內不會產生過量蠕變。因此我們可以把，在給定溫度下，使試樣在第二個階段產生的規定穩態蠕變速率的最大應力表示為蠕變極限。

持久強度是指材料在一定的溫度和規定的持續時間內引起斷裂的最大應力值。高溫工作的構件對蠕變變形要求不嚴格，以持續強度作為設計機件的主要依據。若對蠕變變形要求嚴格，則需以蠕變極限為其依據。

應力松弛的穩定性，是指高溫工作下的緊固螺栓，若維持其恒定形變，緊固應力會隨著時間延長而不斷下降的現象。因為應力松弛現象是在溫度和總應變不變的情況下，由彈性變形轉化為塑性變形，即逐漸發生形變，使初始應力下降的情況。該性能指標可以用來評價材料的高溫預緊應力，進而來檢測構件的安全性。例如，汽輪機的緊固件，隨著時間的延長，剩余應力低于氣缸螺栓的工作應力時，會發生泄氣。設計時，應考慮其應力松弛，以保證其使用安全。

3 蠕變變形機制

金屬晶體在常溫下的變形，可以通過位錯的滑動，產生滑移和孿晶兩種變形方式，但在高溫條件下，原子擴散較為顯著，使得蠕變變形機制也發生了改變。

位錯蠕變機制。這種機制適合于溫度低應力高，多數工業用抗蠕變合金屬此類。材料的塑性變形主要是由位錯滑移引起的，但在常溫時位錯容易受阻，變形只能到一定程度。高溫時位錯可以通過攀移，使位錯遇到障礙時做垂直于滑移面的運動，，從而使位錯得以增殖和運動。

擴散蠕變機制。適合于溫度高應力低時。它是在高溫條件下，原子和空穴發生熱激擴散引起的，外力作用下，原子和空穴因勢能不同會發生由高勢能向低勢能的定向擴散。垂直于外力的晶界拉伸，平行于外力的晶界壓縮，產生蠕變。

晶界滑動蠕變。高溫下晶界的原子容易擴散，受力后易產生塑性變形，即蠕變。溫度越高，晶界滑動作用越強，同時還要求與晶內變形配合的很好，否則易產生裂紋。

由上述蠕變變形的機理可知，蠕變是在一定的應力條件下，材料熱激活微觀過程的宏觀表現。要降低蠕變速率，提高蠕變極限，就必須控制位錯攀移的速率。要提高持久強度，就必須控制晶界的滑動。阻礙空位的形成與運動。也就是說，要提高高溫力學性能，就要控制晶內和晶界原子的擴散過程，可以通過以下幾種途徑：

合金化。材料蠕變根本在于其自身的性質。實際生產中，我們選用耐高溫的金屬，實質上是選用熔點高，自擴散激活能大，層錯能低的元素或合金，因為這些元素擴散慢，有利于降低蠕變速率。使得蠕變變形困難。

冶煉工藝。金屬晶體內部含有很多夾雜物或是氣體，使得晶內有很多缺陷 。高溫合金的使用中，垂直于應力方向的橫向晶界上易產生裂紋。定向凝固工藝，使柱狀晶沿受力方向生長，減小橫向晶界，可大大提高持久強度，輪葉斷裂壽命可提高四到五倍。

在冶金化工等方面，蠕變是我們評定在高溫或是高應力下長時間服役的構件的一個重要力學性能指標，也許大部分蠕變是組成失效模型的一種機制，但也有部分蠕變是有利于生產的。為此，我們可以引其益處，減其劣點，使其更好的為實際生產服務，同時，我們也需要更深入的研究其機理，以便得到更廣泛的應用。

結語

為更好的理解金屬的蠕變性能，需要從宏觀規律與內在形變本質兩個方面把握，深入分析蠕變機制，以便尋找出更好的提高蠕變抗力的途徑。合理的應用蠕變抗力，更好的滿足人們的生活需求。

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