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    金属材料的高温机械性能

    2018-12-28   来源:   点击数:33次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港报道称:铬-镍-锰-氮奥氏体不锈钢0Cr21Ni6Mn9N(Nitronic40)的奥氏体非常稳定,即使经过60%的冷加工,仍然能够保持无磁的特性。它具有良好的强韧性和耐腐蚀性能,室温强度是一般奥氏体不锈钢304、321、 347等的2倍。该钢在具有良好的强韧性的同时,还具有很好的工艺性、耐蚀性和抗高温氧化能力,在253℃低温具有高的强度和良好的韧性,同时也具有很好的高温性能。此钢种广泛的应用在航空和低温领域。虽然强度高,但是仍然可以用生产普通奥氏体不锈钢的方法生产。
      
      金属材料的高温机械性能
      
      高温下承载材料的机械性能与室温承载材料有很大区别:比如
      
      (1)       强度降低,在不同温度下进行金属材料的静拉伸试验时,可以发现,随着试验温度的升高,屈服平台消失,而且材料所能承受的最大载荷也降低。
      
      (2)       塑性增大。
      
      在高温条件下,影响材料机械性能的因素增多,不仅温度有影响,应变速度,断裂所需时间也有影响。
      
      金属材料的蠕变形象
      
      蠕变现象
      
      蠕变:金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下,发生缓慢的塑性变形。
      
      碳素钢超过300~350℃,合金钢超过400~450℃发生
      
      蠕变曲线:三个阶段
      
      oa开始部分,加载引起的瞬时变形
      
      ab第1阶段,速度大,不稳定阶段,减速阶段,τ1,ε1
      
      bc第2阶段,稳定阶段,等速阶段τ2,ε2
      
      cd第3阶段,最后阶段,加速阶段τ3,ε3,不能计入元件寿命期。
      
      蠕变曲线的表示方式
      
      数学模型,主要表示第一阶段和第二阶段
      
      蠕变条件下蠕变速度随时间变化可用下式来表示
      
      其中A,n为外界条件与材料性质的常数
      
      第一阶段两种式子
      
      第二阶段
      
      金属材料在蠕变中的组织变化
      
      滑移
      
      整个蠕变过程中,有滑移产生
      
      亚晶形成
      
      晶粒变形不均匀破裂,形成亚晶
      
      晶界形变
      
      晶界也参与形变,有时高达40-50%
      
      金属材料的蠕变理论
      
      蠕变是在一定的温度和应力作用下发生的,与原子热运动有关。原子热运动作用大致有两方面:
      
      (1)       是在应力作用下原子直接大量地定向扩散
      
      (2)       协助受阻位错克服障碍重新运动
      
      一方面形变硬化,一方面回复
      
      金属材料的蠕变断裂机理
      
      金属材料蠕变断裂分2种:晶间和穿晶
      
      穿晶:有大量塑性变形,韧性,高应力,低温
      
      晶间:塑性变形小,脆性,低应力,高温
      
      等强度温度概念
      
      中国钢管信息港报道称:两种理论:楔形蠕变裂纹(三晶交界处应力集中,穿晶),空洞形(空洞在三晶交界处汇集,晶间)
      
      金属材料的高温强度
      
      条件蠕变极限
      
      根据不同的需要有2种
      
      (1)       给定温度下,引起规定变形速度的应力值
      
      (2)       一定工作温度下,在规定时间内,使试件发生一定量总变形时的应力值
      
      高温持久强度
      
      在给定温度下,经过一定时间而断裂时所能承受的最大应力。
      
      表示材料在温度t经过τ而断裂时所能承受的最大应力
      
      与蠕变区别:蠕变考虑变形为主,高温持久强度主要考虑材料在长期使用下的破坏抗力。
      
      蠕变和持久强度的推测方法
      
      必须进行长期试验,应用外推方法,可大大缩短时间。
      
      外推法:(1)总结金属材料试验数据,找出经验关联式,用以外推
      
      (2)从微观出发,建立应力,温度和断裂时间的关系式。
      
      等温线法:在同一试验温度下,用较高温度应力进行短期试验数据。(加大强度)
      
      钢的持久塑性
      
      是高温条件下工作的重要指标之一。
      
      细小碳化物(Mo2C,VC)在晶内析出,提高晶内强度,削弱晶界强度,形成低塑性的晶间断裂。
      
      影响因素
      
      (1)       合金元素
      
      加入硼强化晶界,减小有害元素S等
      
      (2)       金相组织
      
      珠光体-F>贝氏体>马氏体
      
      (3)       热处理
      
      奥氏体化温度d,回火温度a
      
      影响材料高温强度性能的因素
      
      提高材料高温强度关键
      
      (1)       使在蠕变变形过程中受到阻碍而堆积的位错不容易重新开始运动
      
      (2)       大力强化晶界,避免晶间开裂
      
      <0.4%高温强度随碳增加而增加
      
      不同钢种有最佳值。
      
      其它合金元素影响
      
      Mo可提高材料高温强度
      
      V,Nb,Ti可强烈形成碳化物,在钢中形成弥散分布的沉淀相,有良好强化效果。
      
      P强化晶界
      
      (1)       每种合金元素的作用与其质量分数不成正比,往往有一最佳值。
      
      (2)       每种合金元素的质量分数越高,则单位质量分数所引起的作用越小。因而多元素,少质量分数的钢种有良好的高温性能
      
      冶炼方法
      
      钢中气体量,晶界处的偏析,夹渣对钢高温性能影响大。
      
      减小有害元素,选择适当的冶炼方法
      
      金属材料的组织结构
      
      碳化物形状分布
      
      片状弥散分布热强性好,球状聚集不好
      
      晶粒度
      
      常温下, 细晶粒具有高强度
      
      高温下细晶则易蠕变, 此时有个最佳值
      
      热处理方法
      
      热处理后,在常温下使用,不发生组织变化,可行
      
      而在高温下,不稳定的结构组织将发生变化,使高温性能变坏。
      
      温度波动对钢材高温强度的影响
      
      温度对钢和的高温强度影响,主要有2方面
      
      (1)       温度的波动使实际温度高于规定温度
      
      (2)       附加热应力
      
      金属材料的松驰
      
      金属材料的松驰特性
      
      松驰:金属材料在高温和应力状态下,如果维持总变形量不变,随着时间的延长,应力逐渐降低的现象。
      
      如果总变形量不变,弹性变形转变为塑性变形
      
      应力松驰分2阶段,
      
      第1阶段应力随时间急剧降低,第2阶段应力下降缓慢并趋向恒定。恒定值为松驰极限。因为松驰极限小,通常不用它来评定材料的抗松驰能力,而用一定时间内,材料中应力的降低值 来表征材料抗松驰性能。
      
      松驰稳定系数S0,不考虑初应力,更合理。a
      
      松驰的塑性应变速度
      
      低碳钢只与应力有关
      
      合金钢在第1阶段与应力和总应变有关,第2阶段,只与应力有关。
      
      再紧固对松驰的影响
      
      在动力装置上,常采用法兰螺栓联接,为了保证联接的紧密性,使用一定时间后要再次紧固。
      
      应力松驰与蠕变的关系
      
      松驰与蠕变有差别也有联系
      
      差别:蠕变是恒定应力下,塑性变形随时间的延长而不断增加的过程;松驰是恒定变形下,应力随时间的延长不断降低过程,此时塑性变形的增加是与弹性变形的减小等量同时发生。
      
      联系:本质相同,松驰也可看作是应力不断降低时的多级蠕变。
      
      确定带材在辊式成形机上的成形方法,并逐架设定其横向变形及相应的孔型形状(见辊式成形),以求最终获得规定形状和尺寸的管筒。
      
      孔型设计的基本内容和要求基本内容是:确定变形区长度;选择最佳成形方法;合理分配各架的变形量及孔型形状和尺寸。应满足的要求是:(1)带材边缘与中心的延伸差最小,防止产生波纹或鼓包;(2)带材在孔型中成形稳定;(3)孔型磨损小而均匀;(4)能量消耗小;(5)焊管的形状尺寸、表面质量符合标准要求;(6)轧辊加工方便。
      
      孔型设计的方法 常见的有以下3种:边缘弯曲法、圆周弯曲法和综合弯曲法。
      
      (1)边缘弯曲法 。变形从带材边部开始,逐渐向中心弯曲,最终进入上辊槽底带有导向环的闭口孔型,渐成管筒.成型过程中弯曲恒定.
      
      ①
      
      常用的管坯弯曲变形法
      
      中国钢管信息港报道称:边缘弯曲法的特点是:(1)成形过程中管坯运行稳定。管坯边缘与中心的延伸差小,成形质量好;轧辊分片组成,换辊方便,加工容易,中间平辊部分可共用;(4)第一架就开始侧边弯曲变形,管坯咬入困难.
      
      边缘弯曲法孔型设计适用于直径大于200mm及低塑性高强度钢管的成形。对薄壁管能有效地防止在焊缝附近产生波纹,对厚壁管可以减少边缘回弹,焊接质量高.
      
      圆周弯曲法 。在每架成形机上管坯全宽同时以不同的曲率半径进行弯曲变形。曲率半径按变形均匀分配配原则逐架递减。管坯边缘与曲率半径中心连线的夹角叫中心角。中心角小于180。时上下全宽接触变形。中心角大于180。和小于270.时,上辊与管坯中段,下辊与管坯全宽接触变形.中心角大于270.后,管坯进入上辊带导向环的闭口孔型,渐成管筒.
      
      弯曲法的特点是:(1)变形均匀;(2)孔型有一定的共用性,同一孔型可生产几种规格的管材;(3)轧辊孔型加工简单;(4)成形过程中管坯边缘与中部的延伸差稍大于边缘弯曲法,生产薄壁管时焊缝区易产生波纹;(5)生产厚壁管时因边缘部变形不足焊缝处易成桃树型;(6)成形不稳,带材易跑偏、扭丢,但如采用立辊导向轧边基本可以克服。
      
      综合弯曲法(图c)。又称双半径孔型设计法。先以挤压孔型的半径(r)为半径,将管坯边缘弯曲到一定变形角,在以后的成形过程中此r值不变;然后对管坯的中间部分按圆周变形法继续弯曲成形,直至形成圆筒。此法吸收了边缘变形法与圆周变形法的优点,主要特点是:(1)变形较均匀;(2)成型过程中管坯运行稳定;(3)边缘相对中心的延伸差小,成型质量较好;(4)成形辊的共用性差,轧辊孔型加工较复杂.
      
      成形底线: (1)管坯生产过程中,延纵轴逐渐上升;(2)水平法,成形过程中底线保水持平;(3)下山法,成形过程中底线逐渐下降:或开口孔形部分底线下降,而闭口孔型部分底线保持水平;(4)边缘水平法,管坯的边缘线在成形过程中保持水平。实际上是成形底线更陡的下山法。
      
      中国钢管信息港报道称:成形底线的形式对管坯成形时的纵向变形有显著影响.以下山法成形时管坯边缘与中心部分的延伸差最小,成形质量最好。所以双半径孔型设计和下山法成形底线的设计原则,被视为是带材辊式连续成形的主要发展方向。
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