耐热金属材料机械性能影响原因探索

2011-07-30李占才

中国新技术新产品 2011年23期

李占才

（楚雄滇中有色金属有限责任公司，云南楚雄 675000)

1 引言

在航空、电力、冶金、化工、石油等许多行业中，鉴于材料经常在较高温度环境下工作，因此常常需要使用耐热金属材料。从耐热金属材料的工作环境来看，耐热金属材料应该具有两方面的性能，即金属材料的高温化学稳定性和高温强度。而对于耐热金属材料来说，应当认真研究分析其影响因素，从而针对原因而采取措施来提高耐热金属材料的机械性能。

2 耐热金属材料的机械性能

金属在室温下，塑性变形是通过位错的运动来进行的，由于晶界具有高的强度，对位错运动具有较大的阻力，所以室温下晶粒越细，强度越高。高温时，随着温度的升高，晶界的强度下降显著，材料强度亦随之下降。当晶界强度与晶内强度相等时，材料的强度就由晶界强度所决定，我们把这时的温度称为等强温度。可以看出，随着温度的升高，金属的断裂方式会由穿晶断裂转变为晶间断裂，这时晶界越多，发生断裂的可能性就越大，金属的强度就越低。随着温度的升高，金属的变形行为和失效形式与室温相比有了较大的区别，主要表现在金属的蠕变现象、金属的持久强度、金属的应力松驰现象等，这些就是影响耐热金属材料机械性能的几个范畴。

3 蠕变极限的影响原因

3.1 蠕变极限影响原理

对于耐热金属材料来说，其机械零部件要求在高温耐热条件下运作，因此要求这些耐热金属材料的机械性能要求相当高，例如要求其具有足够的冲击韧性、强度或者良好的焊接性以及加工性。而对于耐热金属材料来说，尤其是其热强性对其机械性能起着关键作用。耐热金属材料在高温下其各项机械性能，如金属材料的屈服强度、疲劳强度、硬度等均比常温下显著降低。而影响耐热金属材料的热强性，尤为主要的影响因素是其蠕变极限。

蠕变极限就是耐热金属材料在高温极限下，引起金属材料出现一定变形速度的应力。把试样加热到一定温度，同时加载一定荷载，长时间后就可以得到蠕变伸长率-时间曲线，如图1所示；通过对不同温度以及不同应力试样，从而得到多条蠕变曲线。

图1 典型蠕变曲线

对于耐热金属材料来说，其蠕变不可避免，例如对于碳钢来说，其在400℃以上就会发生显著的蠕变现象。对于一些长期受高温的金属材料零部件来说，如锅炉的炉管，由于蠕变将会造成炉管管径越来越大，管壁变得越薄，最终造成炉管的爆破；例如蠕变将会造成汽轮机叶片与气缸之间间隙消失而导致破坏。因此，对于耐热金属材料来说，热强性和蠕变能力是决定耐热金属材料机械性能的影响因素，对于耐热金属材料来说，要求材料必须具有热强性高、抗蠕变能力强的材料。

3.2 提高蠕变强度方式

研究表明，对于有较高含量的铬和镍，耐热金属材料具有较多蠕变强度，材料因此具有较好的耐高温性，而且其在高温下能长期作业。鉴于镍(Ni)、铬(Cr)含量高，使耐热金属材料具有良好的耐腐蚀性、耐氧化性以及耐高温性。通过增加碳含量后，鉴于其固溶强化作用使耐热金属材料强度得到有效提高，通过在耐热金属材料以铬、镍为基础的化学成分中掺入适量的钨、铌、钼以及钛等元素，因为金属材料的组织为面心立方结构，因此在高温下金属材料仍有具有较高的强度和蠕变强度。

4 化学元素的影响原因

对于耐热金属材料来说，材料内部的金属元素对于其机械性能起着重要的决定因素之一。而耐热金属材料由于要在高温下长期工作，因此为了能有效地确保耐热金属材料的高温性能，必须向金属材料中掺入一些元素。

例如，在耐热金属材料中加入钼，可以有效地使金属中的晶粒得到细化，从而提高金属材料的淬透性和热强性能，使耐热金属材料在高温下仍能保持足够的强度以及抗蠕变能力。另外，在耐热金属材料中加入钼，不仅能提高材料的机械性能，还可以抑制金属材料由高温引起的脆性。另外，在金属材料中常加入铝元素，通过加入少量的铝，同样可有效地使金属中的晶粒得到细化，提高耐热金属材料的冲击韧性。同时因为铝具有抗腐蚀性以及抗氧化性，铝在耐热金属材料中的掺入，可有效地提高耐热金属材料在高温下不起皮的性能以及耐高温腐蚀的能力，但是铝的过量加入又会对耐热金属材料的焊接性能、热加工性能以及切削加工性能构成影响。

化学元素会提高耐热金属材料的机械性能，但是同样有部分化学元素如果掺入到材料中，会影响材料的机械性能。其中有几种化学元素对耐热金属材料的机械性能影响尤为突出。

（1）锰元素（Mn）。锰在金属材料中大多数起到脱氧剂的作用，其可提高金属材料的强度或者硬度，同时由于提高了金属材料的淬性，从而改善了耐热金属材料的热加工性能。但是随着锰含量的不断增多，将会减弱耐热金属材料的抗腐蚀能力，降低了材料的焊接性能。

（2）硫和磷元素。硫和磷元素在耐热金属材料中都是有害元素，这两种元素的增加会增加耐热金属材料的脆性，降低了金属材料的塑性性能，对于耐热金属材料的焊接性能也会构成影响。

5 焊条对金属机械性能的影响原因

鉴于耐热金属材料要在高温下长期工作，要有效地确保金属材料的耐高温性能，则必须向金属材料中掺入一些元素。若焊缝材料与母材的化学成分相差较大，则金属材料在高温下工作，就会导致金属接头区域因为某些元素的扩散现象导致金属接头的机械性能由此下降，例如碳元素在熔合线附近的扩散。因此，在进行金属材料的焊接而选择焊接材料时，必须确保其焊缝性能与母材相一致。因此为了保证耐热金属材料的机械性能，焊缝金属的化学成分应当尽可能与母材相一致。

另外，焊条中元素的含量以及焊接工艺灯都会影响金属材料焊接后的机械性能。对于需要焊接的耐热金属材料来说，要有效地提高焊缝金属材料的抗热裂能力，就必须控制好焊缝中碳的含量标准，一般情况都要求焊缝的碳含量少于母材的碳含量，控制在0.07%～0.15%范围之间。