고온에서 재료의 기계적 특성

1. 개요

금속과 합금의 구조는 고온에서 확산, 회수, 재결정화 등의 현상으로 인해 변화합니다.

또한 고온에 장시간 노출되면 다음과 같은 기능이 저하될 수 있습니다. 금속 소재.

고압 증기 보일러, 증기 터빈, 디젤 엔진, 항공 엔진, 화학 장비, 고온 고압 파이프 라인과 같은 장비에서는 많은 부품이 고온에서 장시간 사용되기도 합니다.

상온 및 단기 정하중 하에서 이러한 재료의 기계적 특성만 고려하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 예를 들어, 화학 장비의 고온 및 고압 파이프는 응력이 일반 파이프보다 낮지만 재료의 수율 강도 작동 온도에서 시간이 지남에 따라 지속적인 소성 변형이 발생하여 파이프 직경이 점차 커지고 심지어 파이프 파열로 이어질 수 있습니다.

"고온" 또는 "저온"의 분류는 금속의 녹는점을 기준으로 합니다. 온도 대 융점(T/Tm)의 비율을 기준으로 사용하는 경우가 많으며, 여기서 Tm은 재료의 융점을 나타냅니다. T/Tm이 0.4~0.5보다 크면 고온으로 간주합니다.

민간 항공기의 온도는 약 1500°C이고 군용 항공기의 온도는 약 2000°C입니다. 우주선의 현지 작동 온도는 2500°C까지 올라갈 수 있습니다.

2. 영향 요인

온도는 재료의 기계적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 고온에서의 로딩 시간도 이러한 특성에 큰 영향을 미칩니다. 고온의 기계적 특성은 실온의 기계적 특성과 동일하지 않다는 점에 유의해야 합니다.

일반적으로 온도가 상승하면 금속 재료의 강도는 감소하는 반면 가소성은 증가하는 경향이 있습니다. 하중의 지속 시간도 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 단기 하중에서는 인장 강도가 감소하고 가소성이 증가하지만 장기 하중에서는 가소성이 크게 감소하고 노치 감도가 증가하며 취성 파괴가 자주 발생합니다.

온도와 시간의 복합적인 영향도 재료의 파단 경로에 영향을 미칩니다. 예를 들어 장기간 사용 시 크리프가 발생하여 결국 파손으로 이어질 수 있습니다. 고온에서 강철의 인장 강도는 하중 지속 시간이 길어질수록 감소합니다.

온도가 상승하면 입자 강도와 입자 경계 강도가 모두 감소합니다. 그러나 입자 경계에서 원자의 불규칙한 배열로 인해 입자 경계 강도가 더 빠르게 감소하여 확산이 더 쉽게 일어날 수 있습니다.

입자 강도와 입자 경계 강도가 동일한 온도를 "등강도 온도(TE)"라고 합니다. 재료가 TE 이상으로 작동하면 재료의 파단 모드가 일반적인 입계 파단에서 입계 간 파단으로 변경됩니다.

TE는 고정된 것이 아니며 변형률의 영향을 받는다는 점에 유의해야 합니다. 입자 경계 강도는 입자 강도보다 변형률에 더 민감하기 때문에 변형률이 증가하면 TE가 증가합니다.

결론적으로 고온에서 재료의 기계적 특성을 연구하려면 온도와 시간을 모두 고려해야 합니다.

3. 크립 현상

크리프는 응력이 해당 온도에서 항복 강도보다 낮더라도 일정한 온도와 하중 하에서 장시간에 걸쳐 발생하는 금속의 점진적인 소성 변형입니다. 크리프 변형으로 인한 이러한 유형의 재료 파손을 크리프 골절이라고 합니다.

저온에서도 크리프가 발생할 수 있지만 온도가 약 0.3보다 높을 때만 유의미합니다. 탄소강의 온도가 300°C를 초과하거나 합금강 가 400°C를 초과하는 경우 크리프 효과를 고려해야 합니다.

동일한 소재의 크리프 곡선은 응력과 온도에 따라 달라진다는 점에 유의해야 합니다.

일반적인 크립 커브

"ab"로 표시된 첫 번째 단계는 감속 크리프 단계 또는 전환 크리프 단계로 알려져 있습니다. 이 단계가 시작될 때의 크립 속도는 매우 높으며 시간이 지남에 따라 점차 감소하여 지점 "b"에서 최소값에 도달합니다.

"bc"로 표시된 두 번째 단계는 정속 크리프 단계 또는 정상 상태 크리프 단계라고 합니다. 이 단계는 비교적 일정한 크리프 속도가 특징입니다. 금속의 크리프 속도는 일반적으로 이 단계에서 크리프 속도 ε로 표현됩니다.

세 번째 단계는 가속 크리프 단계입니다. 시간이 진행됨에 따라 크리프 속도가 점차 증가하여 지점 "d"에서 크리프 골절이 발생합니다.

응력과 온도가 다른 크립 곡선 변경 다이어그램

그림과 같이 응력이 낮거나 온도가 낮으면 두 번째 단계의 크리프가 상당한 시간 동안 지속되며 경우에 따라 세 번째 단계가 발생하지 않을 수도 있습니다. 반면 응력이 높거나 온도가 높으면 두 번째 크리프 단계가 매우 짧거나 전혀 발생하지 않아 시편이 매우 짧은 시간 내에 파손될 수 있습니다.

4. 크리프 골절 표면의 특성

골절 표면의 매크로 특성

소성 변형은 파단 표면 가까이에서 발생하며 변형된 부위 부근에 수많은 균열이 있습니다(이러한 균열은 파단된 부분의 표면에서 볼 수 있음). 고온 산화의 경우 파손 표면은 산화막 층으로 코팅됩니다.

골절 표면의 미세한 특성

결정 설탕과 같은 패턴의 입계 골절 형태

5. 성과 지표 및 측정

크리프 한계, 파열 강도, 이완 안정성 및 기타 기계적 특성은 일반적으로 재료의 크리프 거동을 평가하는 데 사용됩니다.

5.1 크립 제한

크리프 한계는 고온에서 장기간 하중을 받는 상황에서 소성 변형에 대한 금속 소재의 저항력을 측정하는 척도로, 고온 서비스 부품의 선택 및 설계에 중요한 요소입니다.

하나는 시편이 지정된 시간과 온도 내에서 지정된 일정한 크리프 속도로 견딜 수 있는 최대 응력을 결정하는 방법이고, 다른 하나는 시편이 지정된 시간과 온도 내에서 지정된 크리프 신장을 유발하는 최대 응력을 결정하는 방법입니다.

예 1은 온도가 500℃이고 일정한 크리프 속도가 1×10일 때 재료의 크리프 한계가 80MPa임을 보여줍니다.^-5%/h;

예 2는 온도가 500℃, 100000시간, 크리프 연신율이 1%일 때 재료의 크리프 한계가 100MPa임을 보여줍니다.

크리프 테스트 장비 및 회로도

크립 테스트는 일관된 온도 조건과 다양한 스트레스 수준에서 최소 4개의 크립 곡선을 기록하면서 수행해야 합니다.

크립 곡선은 기록된 결과를 기반으로 만들어야 하며, 곡선의 직선 기울기가 크립 속도를 나타냅니다.

관계 곡선은 획득한 응력 크리프율 데이터를 사용하여 로그 좌표에 그려집니다.

상대적으로 높은 응력 수준을 적용하면 비교적 짧은 테스트 시간으로 여러 개의 크리프 곡선을 생성할 수 있습니다. 지정된 크리프율에 대한 응력 값은 측정된 크리프율의 보간 또는 외삽을 통해 결정할 수 있으므로 크리프 한계를 결정할 수 있습니다.

일정한 온도에서 2단계 크리프 응력(σ)과 이중 로그 좌표의 일정한 크리프 속도(ε) 사이에는 선형적인 경험적 관계가 있습니다.

S-590 합금 σ- ε 곡선

(20.0%Cr, 19.4 %Ni, 19.3%Co, 4.0%W, 4.0%Nb, 3.8%Mo, 1.35%Mn, 0.43%C)

5.2 지구력 강도

내구성 강도는 고온 하중 하에서 장시간에 걸쳐 골절에 견디는 재료의 능력을 말합니다. 특정 온도 및 시간 조건에서 크리프 골절이 발생하지 않고 재료가 견딜 수 있는 최대 응력입니다. 내구성 강도는 재료의 파단 저항성을 나타내는 척도이며, 크리프 한계는 변형에 대한 저항성을 나타냅니다.

일부 소재 및 구성품의 경우 크리프 변형이 미미하고 사용 수명 동안 파손되지 않는 것이 유일한 요구 사항입니다(예: 보일러의 과열 증기 파이프). 이러한 경우 내구성 강도는 재료 또는 구성 요소의 사용 적합성을 평가하는 데 사용되는 주요 기준입니다.

S-590 합금의 응력 파열 강도 곡선

금속 소재의 내구성 강도는 고온 인장 내구성 테스트를 통해 결정됩니다.

테스트 과정에서 지정된 온도와 응력 수준에서 파단되는 데 걸리는 시간만 기록하면 시료의 연신율을 측정할 필요가 없습니다.

설계 수명이 긴(수만에서 수십만 시간 이상) 기계 부품의 경우 장기간 테스트를 수행하기 어렵기 때문에 일반적으로 높은 응력 수준과 짧은 파단 시간을 사용하여 데이터를 생성합니다. 그런 다음 외삽을 통해 재료의 내구성 강도를 계산합니다.

경험적 공식을 추정합니다:

(t-파단 시간, σ-응력, A, B-시험 온도 및 재료 관련 상수)

위 공식의 로그를 구하여 얻습니다:

로그 t-로그 σ 만들기 그림에서 파단 시간이 짧은 데이터에서 시간이 긴 지속 강도까지 선형 관계를 추정할 수 있습니다.

5.3 잔여 스트레스

일정한 변형을 받으면 재료의 탄성 응력은 시간이 지남에 따라 서서히 감소하는데, 이를 응력 완화라고 합니다.

금속 재료의 응력 이완에 대한 저항을 이완 안정성이라고 하며, 응력 이완 곡선을 측정하여 응력 이완 테스트를 통해 확인할 수 있습니다.

잔여 스트레스 는 금속 소재의 이완 안정성을 평가하는 데 사용되는 지표입니다. 수치가 높을수록 잔류 스트레스가 높을수록 이완 온도가 더 좋습니다.

스트레스 이완 곡선

1단계: 초반에 스트레스가 급격히 감소합니다;

2단계: 스트레스 강하가 점차 둔화되는 단계입니다;

이완 한계: 특정 초기 스트레스와 온도에서는 잔류 스트레스가 계속 이완되지 않습니다.

5.4 고온 기계적 특성의 영향 요인

크리프 한계를 향상시키기 위해서는 크리프 변형 및 파단 메커니즘에 따라 전위 상승 속도를 제어하는 것이 중요합니다.

파열 강도를 개선하려면 입자 경계 미끄러짐과 공극 확산을 제어해야 합니다.

화학 성분, 제련 공정, 열처리 공정, 입자 크기 등 여러 가지 요인이 고온 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.

합금의 화학적 조성의 영향

내열강 및 합금의 기본 재료는 일반적으로 융점이 높거나 자기 확산 활성화 에너지가 높거나 적층 결함 에너지가 낮은 금속 및 합금으로 구성됩니다.

크롬(Cr), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 등 녹는점이 높은 금속은 자체 확산 속도가 느립니다.

스태킹 단층 에너지가 낮으면 확장된 탈구가 더 쉽게 형성되고 탈구가 교차 미끄러지거나 올라가기 어렵습니다.

분산 단계는 탈구 미끄러짐과 상승을 효과적으로 차단할 수 있습니다.

입계 확산의 활성화 에너지를 증가시키는 붕소 및 희토류와 같은 원소를 추가하면 입계 슬라이딩을 방해할 뿐만 아니라 입계 균열의 표면 에너지도 증가시킵니다.

면 중심 입방 구조의 내열 소재는 몸체 중심 입방 구조의 소재에 비해 고온 강도가 더 높습니다.

제련 공정의 영향

수정되었습니다:

내포물 및 금속학적 결함의 함량을 줄이는 것이 중요합니다.

방향성 응고를 사용하면 횡방향 입자 경계가 줄어들어 횡방향 입자 경계에 균열이 형성될 가능성이 높아져 파열 강도가 향상됩니다.

열처리 공정의 영향

펄라이트 내열 강철은 일반적으로 정규화 프로세스 고온 템퍼링이 이어집니다.

템퍼링 온도는 사용 온도보다 섭씨 100~150도 높아야 작동 조건에서 구조적 안정성을 높일 수 있습니다.

오스테나이트계 내열강 또는 합금은 일반적으로 용액 및 노화를 통해 적절한 입자 크기를 얻고 강화 단계의 분포를 개선하기 위해 처리됩니다.

열 기계 처리를 통해 입자 경계의 모양을 변경하고(톱니 모양 형성) 입자 내에 다각형의 하위 입자 경계를 생성하여 합금의 강도를 더욱 향상시킬 수 있습니다.

입자 크기의 효과

입자 크기: 사용 온도가 항강도 온도보다 낮을 때는 미세 입자 강재가 더 높은 강도를 나타내며, 사용 온도가 항강도 온도를 초과할 때는 거친 입자 강재가 더 큰 내크리프 저항성과 내구 강도를 갖습니다.

입자 크기가 고르지 않습니다: 큰 입자와 작은 입자 사이의 접합부에 응력이 집중되면 균열이 생기고 조기 골절이 발생할 가능성이 높아집니다.