7黑色金属及其选用-JIANG.ppt

高温用钢的工况 －高温蠕变 ? 蠕变温度：当T高于金属材料的0.3Tm(以绝对温度表示的熔点)时蠕变显著。 ? 碳钢和普通低合金钢，T350～400℃，低合金铬钼钢T 450℃，高合金钢T 550℃，必须考虑蠕变现象，对蠕变变形进行计算。 ? 产生蠕变的应力：单一应力(拉力或扭力)，复合应力。实际零部件承受的是复合应力，如蠕变＋疲劳，蠕变＋扭转等等 高温用钢的工况 －典型高温蠕变图 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 蠕变变形量ε 时间t a b c d α o 高温用钢的工况 －高温蠕变图 ?oa为开始加载后，引起的瞬时变形，如果应力超过金属在该温度下的弹性极限，则oa由弹性变形加塑性变形组成 ab为第I阶段，蠕变的速度随时间的延长而逐渐减少，趋于稳定 ?bc为第Ⅱ阶段，是蠕变的稳定阶段，蠕变的速度基本不变。这一阶段曲线倾角α的正切值tgα用来表示材料的蠕变速度 ?cd为第Ⅲ阶段，蠕变加速进行，直到d点断裂为止 高温用钢的工况 －高温蠕变图 不同材料在不同条件下可以得到不同的蠕变曲线；同一种材料应力和温度不同也可以得到不同的蠕变曲线；尽管蠕变曲线形状不同，但都具有蠕变的三个阶段的特点，不同之处是各个阶段的持续时间有很大的改变； 理想材料的蠕变特征：小的起始蠕变（I阶段）和低的蠕变速率（II阶段） 温度恒定，应力改变 应力恒定，温度改变 高温组织结构变化－渗碳体的石墨化 石墨化：钢材在高温作用下渗碳体自行分解的一种现象，也称为析墨现象，Fe3C→3Fe + C(石墨)，开始时石墨以微细的点状出现，随后逐渐聚集； 石墨化的危害：石墨的强度极低，实际上相当于金属内部产生了空穴，空穴周围出现应力集中，使材料脆化，使材料强度与塑性降低，如石墨颗粒骤集成链状出现，则会导致材料断裂 高温组织结构变化－珠光体的球化 球化：低合金珠光体耐热钢在高温长期作用下，珠光体组织中片状渗碳体逐渐转变为球状渗碳体、并逐渐聚集长大的现象 球化危害：球化主要是降低钢材的强度，尤其是高温强度 如：中等球化会使低碳钢和低碳钼钢常温强度指标下降10%～15%；严重球化下降20%～30%，但严重球化会使低碳钢和钼钢的高温强度下降到50%，甚至更低 高温组织结构变化－合金元素的再分配 合金元素的再分配及其危害：在高温下长时间工作，钢还会发生合金元素在固溶体和碳化物之间的重新分配，强化性能的合金元素的原子(Cr、Mo、V等)会由固溶体向碳化物转移，其中Mo最活跃。显著降低固溶强化作用，使耐热钢的高温强度下降 碳化物结构类型、数量和分布也在变化，变化的结果形成稳定状态的碳化物，这些变化同样明显影响耐热钢的高温强度。 高温用钢的工况－高温力学性能变化 在高温下，负载作用时间对钢材力学性能影响很大； 例：常温σb=420MPa的20号钢，在450℃时，20号钢的屈服点大约是147 MPa：短时间，拉伸强度是330MPa，承受230MPa应力时，持续了300小时左右就发生断裂；承受120MPa应力，则持续10000小时也能使试样断裂。 高温下材料的力学性能，要考虑温度、时间、应力－应变关系等，建立材料高温性能指标 高温用钢的工况－高温腐蚀 在高温下，钢与O2、S、H、N等氧化性物质接触时会发生高温氧化腐蚀，多在钢表面形成氧化物、硫化物、氮化物等固体表面膜； 影响高温用钢的化学稳定性因素：氧化反应的热力学与动力学条件，表面膜的结构与性能 图7-6　金属氧化的各种动力学曲线 金属氧化的5种动力学曲线 氧化膜保护性动力学顺序：反对数对数立方抛物线直线 保护性影响因素：氧化膜稳定性、完整性、致密性、厚度、匹配性、结构、应力等 加Cr, Al, Si, Re利于高温性能 影响低温韧性的因素-晶体结构? ?体心立方结构晶格（铁素体钢）的T韧脆转变较高，韧性差，脆性断裂倾向较大。因为T下降、σS显著提高、几乎σS＝σb，容易引起低温脆性; ? 密排六方结构次之，易引起低温脆性; ? 面心立方晶格(奥氏体类钢)没有低温脆性，在低温(-196℃及-253℃)下，面心(奥氏体Cr-Ni钢)韧性不下降，没有T韧脆转变 影响低温韧性的因素-化学成分? ? C含量增加、使钢低温韧性降低 ? Mn对钢的韧性有利 ? Ni可使钢的低温脆性降低 ? Al、Si(0.3%)、V、Ti、Nb等元素也能使钢的T韧脆转变降低 ? 洁净度是影响钢的韧性的关键因素，钢中存在微量元素(P、S、砷As、Sn、Pb、Sb等)及气体（N、O、H等），对钢的韧性有害 影响低温韧性的因素-晶粒尺寸? 细晶粒使金属有较高断裂强度，使T韧脆转变降低 晶界存在杂质与脆性相，往往是裂纹源； 晶粒细化的作用： 减少单位面积上的脆性相，提高表面能，降低形核和扩展的几率，提高钢