Механические свойства материалов при высоких температурах

1. Обзор

При высоких температурах структура металлов и сплавов изменяется за счет таких явлений, как диффузия, восстановление, рекристаллизация и др.

Кроме того, длительное воздействие высоких температур может нанести вред производительности металлические материалы.

В таком оборудовании, как паровые котлы высокого давления, паровые турбины, дизельные двигатели, авиадвигатели, химическое оборудование, трубопроводы высокой температуры и высокого давления, многие детали работают при высоких температурах в течение длительного времени.

Недостаточно учитывать только механические свойства таких материалов при нормальной температуре и кратковременной статической нагрузке. Например, трубы высокой температуры и высокого давления в химическом оборудовании, хотя напряжение, которое они выдерживают, ниже, чем Предел текучести материалов при их рабочей температуре со временем подвергаются непрерывной пластической деформации, которая постепенно увеличивает диаметр трубы и даже может привести к ее разрыву.

Классификация "высокой" или "низкой" температуры относится к температуре плавления металла. В качестве эталона часто используется отношение температуры к температуре плавления (T/Tm), где Tm означает температуру плавления материала. Если T/Tm больше 0,4-0,5, то это считается высокой температурой.

Температура гражданского самолета составляет около 1500°C, а военного - около 2000°C. Рабочая температура космических аппаратов может достигать 2500°C.

2. Влияющие факторы

Температура оказывает значительное влияние на механические свойства материалов. Продолжительность нагружения при высоких температурах также оказывает значительное влияние на эти свойства. Важно отметить, что высокотемпературные механические свойства - это не то же самое, что механические свойства при комнатной температуре.

Как правило, с повышением температуры прочность металлических материалов уменьшается, а пластичность увеличивается. Продолжительность нагрузки также влияет на механические свойства. При кратковременных нагрузках прочность на растяжение уменьшается, а пластичность увеличивается, но при длительных нагрузках пластичность значительно уменьшается, чувствительность к надрезу увеличивается, и часто происходит хрупкое разрушение.

Комбинированное воздействие температуры и времени также влияет на путь разрушения материала. Например, при длительной эксплуатации может возникнуть ползучесть, которая в конечном итоге приведет к разрушению. Прочность стали на растяжение при высокой температуре снижается с увеличением продолжительности нагрузки.

С повышением температуры снижается прочность как зерна, так и его границ. Однако прочность границ зерен снижается быстрее из-за неравномерного расположения атомов на границе зерен, что облегчает диффузию.

Температура, при которой прочность зерен и прочность границ зерен равны, известна как "температура равной прочности" (ТЕ). Когда материал работает при температуре выше TE, режим разрушения материала меняется с типичного трансгранулярного разрушения на межгранулярное разрушение.

Важно отметить, что TE не является постоянной величиной и зависит от скорости деформации. Поскольку прочность границ зерен более чувствительна к скорости деформации, чем прочность зерен, TE увеличивается с ростом скорости деформации.

В заключение следует отметить, что для изучения механических свойств материалов при высоких температурах необходимо учитывать как температуру, так и время.

3. Явление ползучести

Ползучесть - это постепенная пластическая деформация металла, возникающая при постоянной температуре и нагрузке, даже если напряжение ниже предела текучести при данной температуре, в течение длительного периода времени. Этот тип разрушения материала, вызванный деформацией ползучести, называется ползучим разрушением.

Хотя ползучесть может возникать при низких температурах, она существенна только тогда, когда температура превышает примерно 0,3. Если температура углеродистой стали превышает 300°C или легированная сталь превышает 400°C, необходимо учитывать эффект ползучести.

Важно отметить, что кривая ползучести одного и того же материала изменяется в зависимости от напряжения и температуры.

Типичная кривая ползучести

Первая стадия, обозначенная как "ab", известна как стадия замедления ползучести или переходная стадия ползучести. Скорость ползучести в начале этой стадии очень высока и постепенно уменьшается с течением времени, пока не достигнет минимума в точке "b".

Вторая стадия, обозначенная как "bc", называется стадией ползучести с постоянной скоростью или стадией ползучести в установившемся состоянии. Эта стадия характеризуется относительно постоянной скоростью ползучести. Скорость ползучести металла обычно выражается через скорость ползучести ε на этой стадии.

Третья стадия - стадия ускоренной ползучести. С течением времени скорость ползучести постепенно увеличивается, пока в точке "d" не произойдет разрушение при ползучести.

Диаграмма изменения кривой ползучести при различных напряжениях и температуре

Как показано на рисунке, при низком напряжении или низкой температуре вторая стадия ползучести длится значительное время, а в некоторых случаях третья стадия может даже не наступить. С другой стороны, когда напряжение велико или температура высока, вторая стадия ползучести очень коротка или может вообще не наступить, что приводит к разрушению образца за очень короткое время.

4. Характеристики поверхности разрушения при ползучести

Макрохарактеристики поверхности излома

Пластическая деформация происходит вблизи поверхности излома, и вблизи деформированной области образуются многочисленные трещины (эти трещины видны на поверхности изломанной части). В случаях высокотемпературного окисления поверхность излома покрывается слоем оксидной пленки.

Микрохарактеристики поверхности излома

Морфология межкристаллитного разрушения кристаллических сахароподобных узоров

5. Индекс эффективности и измерение

Предел ползучести, прочность при разрыве, релаксационная устойчивость и другие механические свойства обычно используются для оценки поведения материалов при ползучести.

5.1 Предел ползучести

Предел ползучести - это мера сопротивления металлического материала пластической деформации при длительном нагружении при высоких температурах, и он является решающим фактором при выборе и проектировании компонентов, работающих при высоких температурах.

Существует два способа выразить предел ползучести в МПа: первый - определить максимальное напряжение, которое образец может выдержать при заданной постоянной скорости ползучести в течение заданного времени и температуры; второй - определить максимальное напряжение, которое вызывает удлинение образца при ползучести в течение заданного времени и температуры.

Пример 1 показывает, что предел ползучести материала составляет 80 МПа при температуре 500 ℃ и постоянной скорости ползучести 1×10^-5%/h;

Пример 2 показывает, что предел ползучести материала составляет 100 МПа при температуре 500 ℃, 100000 часов, а удлинение при ползучести составляет 1%.

Оборудование для испытания на ползучесть и принципиальная схема

Испытание на ползучесть должно проводиться при постоянных температурных условиях и различных уровнях напряжения, при этом должно быть зарегистрировано не менее 4 кривых ползучести.

Кривые ползучести должны быть построены на основе зарегистрированных результатов, а наклон прямой линии на кривой представляет собой скорость ползучести.

Кривая зависимости строится в логарифмических координатах по полученным данным скорости ползучести под напряжением.

Прикладывая относительно высокие уровни напряжения, можно получить несколько кривых ползучести за относительно короткое время испытаний. Значение напряжения для заданной скорости ползучести может быть определено путем интерполяции или экстраполяции измеренной скорости ползучести, что позволяет определить предел ползучести.

При постоянной температуре существует линейная эмпирическая зависимость между напряжением ползучести второй стадии (σ) и скоростью установившейся ползучести (ε) в двойных логарифмических координатах.

Сплав S-590 σ- ε кривая

(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 Прочность на выносливость

Прочность означает способность материала сопротивляться разрушению в течение длительного периода времени при высоких температурных нагрузках. Это максимальное напряжение, которое может выдержать материал, не подвергаясь разрушению при ползучести в определенных температурных и временных условиях. Прочность на излом является мерой сопротивления материала разрушению, в то время как предел ползучести относится к его сопротивлению деформации.

Для некоторых материалов и компонентов деформация при ползучести минимальна, и единственное требование к ним - не разрушаться в течение срока службы (например, труба для перегретого пара в котле). В этих случаях прочность на разрыв является основным критерием, используемым для оценки пригодности материала или компонента к использованию.

Кривая прочности при разрыве под напряжением сплава S-590

Прочность металлических материалов определяется с помощью высокотемпературного испытания на прочность при растяжении.

В процессе испытаний измерять удлинение образца не обязательно, достаточно зафиксировать время разрушения при заданной температуре и уровне напряжения.

Для компонентов машин с длительным сроком службы (от десятков тысяч до сотен тысяч часов и более) сложно проводить длительные испытания, поэтому данные обычно получают при высоких уровнях напряжения и коротком времени разрушения. Затем прочность материалов рассчитывается путем экстраполяции.

Экстраполируйте эмпирическую формулу:

(t - время разрушения, σ - напряжение, A, B - константы, зависящие от температуры и материала)

Возьмите логарифм из приведенной выше формулы, чтобы получить:

Если сделать log t-log σ рис., то линейная зависимость может быть экстраполирована от данных с коротким временем разрушения к прочности с большим временем.

5.3 Остаточное напряжение

При постоянной деформации упругое напряжение материалов постепенно уменьшается с течением времени, что называется релаксацией напряжения.

Устойчивость металлических материалов к релаксации напряжения называется релаксационной стабильностью, которая может быть определена с помощью испытаний на релаксацию напряжения путем измерения кривой релаксации напряжения.

Остаточное напряжение это метрика, используемая для оценки релаксационной стабильности металлических материалов. Чем выше остаточное напряжениетем лучше температура релаксации.

Кривая релаксации напряжений

Стадия 1: в начале стресс быстро спадает;

Стадия 2: стадия, когда снижение напряжения постепенно замедляется;

Предел релаксации: при определенном начальном напряжении и температуре остаточное напряжение не будет продолжать релаксировать.

5.4 Факторы, влияющие на высокотемпературные механические свойства

Для повышения предела ползучести важно контролировать скорость подъема дислокаций, исходя из деформации ползучести и механизма разрушения.

Для повышения прочности на разрыв необходимо контролировать скольжение по границам зерен и диффузию вакансий.

На высокотемпературные механические свойства могут влиять несколько факторов, включая химический состав, процесс выплавки, термообработки и размер зерна.

Влияние химического состава сплава

Основу материалов для жаропрочных сталей и сплавов обычно составляют металлы и сплавы с высокими температурами плавления, высокой энергией активации самодиффузии или низкой энергией дефекта укладки.

Металлы с более высокими температурами плавления, такие как хром (Cr), вольфрам (W), молибден (Mo) и ниобий (Nb), имеют более медленную скорость самодиффузии.

Низкая энергия дефекта укладки облегчает образование протяженных дислокаций и затрудняет поперечное скольжение и подъем дислокаций.

Дисперсная фаза может эффективно блокировать скольжение и подъем дислокаций.

Добавление таких элементов, как бор и редкие земли, которые увеличивают энергию активации зернограничной диффузии, не только препятствует скольжению по границам зерен, но и повышает поверхностную энергию зернограничных трещин.

Жаропрочные материалы с гранецентрированной кубической структурой обладают более высокой высокотемпературной прочностью по сравнению с материалами с гранецентрированной кубической структурой.

Влияние процесса выплавки

Пересмотрено:

Важное значение имеет снижение содержания включений и металлургических дефектов.

При использовании направленной кристаллизации количество поперечных границ зерен уменьшается, что приводит к повышению прочности на разрыв, так как трещины с большей вероятностью образуются на поперечных границах зерен.

Влияние процесса термообработки

Перлитная жаропрочная сталь обычно подвергается процесс нормализации Затем следует высокотемпературный отпуск.

Температура отпуска должна быть на 100-150 градусов Цельсия выше, чем температура эксплуатации, чтобы повысить стабильность структуры в условиях эксплуатации.

Аустенитная жаропрочная сталь или сплавы обычно подвергаются обработке раствором и старению для достижения соответствующего размера зерна и улучшения распределения упрочняющих фаз.

Термомеханический Обработка может дополнительно повысить прочность сплава за счет изменения формы границ зерен (образования зазубрин) и создания многоугольных субзеренных границ внутри зерна.

Влияние размера зерна

Размер зерна: Когда рабочая температура ниже температуры постоянной прочности, мелкозернистая сталь демонстрирует более высокую прочность, а когда рабочая температура превышает температуру постоянной прочности, крупнозернистая сталь обладает большей стойкостью к ползучести и выносливостью.

Неравномерный размер зерна: Когда напряжение концентрируется на стыке между крупными и мелкими зернами, повышается вероятность образования трещин, что приводит к преждевременному разрушению.