长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化.
金属材料的高温力学性能
金属材料的高温力学性能金属材料是人类使用历史最长、应用最广泛的材料之一，它们具有优异的物理、化学、机械性能，被广泛应用于航空、航天、能源、交通等各个领域。
然而，金属材料在高温环境下的性能往往会发生改变，这是由于高温下金属原子的热振荡增强、晶格缺陷数量增加、化学反应加剧等因素所引起的。
因此，研究金属材料在高温下的力学性能至关重要。
一、高温下的材料微观结构演化高温下的金属材料，由于温度升高，原子热振荡幅度增大，晶体缺陷数量增多，导致材料的微观结构发生变化。
这些变化可能包括晶界迁移、堆垛错的生成或消除、晶体内部的位错增生等。
晶界是晶体中不同晶粒之间的界面，它们对材料的力学性质有重要影响。
在高温下，晶界可以通过晶界迁移的方式发生变化，导致晶界能量状态的变化。
此外，晶界周围的原子往往富集了一定的缺陷，如间隙位错和堆垛错，它们的运动和相互作用也会影响晶界的状态和材料的性能。
堆垛错是晶体内的一种结构缺陷，它由两个错排面的夹层形成，每个面上原子的相对位错是相同的。
在高温下，由于材料中原子的位移不断增加，堆垛错很容易形成或消除。
其运动和移动方式也会对材料的塑性和损伤机制产生影响。
位错是晶体中一种线性缺陷，它是原子排列不完整或存在错位引起的，具有一定的移动和滑移性质。
在高温下，位错的数量会增加，位错的移动会产生变形，从而影响材料的塑性和损伤行为。
二、高温下的材料力学性能高温下，金属材料的力学性能会发生变化，如强度、延展性、断裂韧性等性质均可能发生变化。
强度是指材料承受外力时的抗拉、抗压、抗弯等能力。
在高温下，金属材料的强度往往会降低，这是由于高温下原子位移的增加、晶界的变化、位错的运动等因素所致。
延展性是指材料在拉伸或压缩过程中发生形变的能力。
在高温下，金属材料的延展性往往会增加，因为高温下原子的位移增强，晶体缺陷的数量增多，使得位错滑移和塑性变形更容易发生。
断裂韧性是指材料在受到外力时发生裂纹扩展的能力。
在高温下，金属材料的断裂韧性往往会减小，因为高温下材料的位移增强，裂纹扩展较容易发生，从而导致断裂韧性的下降。
高温条件对钢材性能的影响
在室温条件下，钢材的金相组织一般都相当稳定。
但是，在高温条件下，金属原子的扩散活动能力增大，钢材的组织结构将不断发生变化。
因而导致钢材的性能发生变化。
温度愈高，原子的扩散能力愈强，在高温下使用的时间愈长，原子扩散得愈多，钢材的组织结构变化也就愈大。
长期在高温条件下工作的钢材，产生危害性的组织变化主要有：珠光体球化、石墨化及固溶体中合金元素的贫化。
常用的各种碳钢及低合金钢大都是珠光体钢。
这种钢的正常组织由珠光体与铁素体组成。
其中，珠光体又是由铁素体和渗碳体呈薄片状相互间夹而成，即片状珠光体。
片状珠光体是一种不稳定的组织，当温度较高时，原子的活动能力增强，扩散速度增加，珠光体中的片状渗碳体逐渐转变成球状，再逐渐聚集成大球团，这种现象称为珠光体球化。
珠光体球化会降低材料的室温强度，在中度球化的情况下，将使低碳钢和低碳钼钢的强度降低10-15，当严重球化时，强度降低约20-30。
另外，珠光体球化还会使材料的蠕变极限和持久强度明显降低，加速高温承压部件在使用过程中的蠕变速度，减少工作寿命，导致钢材在高温和应力作用下的加速破坏。
石墨化主要发生在低碳钢和含钼量0.5的低碳合金钢上。
在高温和应力的长期作用下，这种钢的组织中的渗碳体，自行分解为铁和石墨，这个过程称为石墨化。
开始时，石墨以微细的点状出现在金属内部，以后，逐渐聚集为愈来愈粗的颗粒。
石墨的强度极低，石墨化使金属材料的常温及高温强度下降，冲击韧性下降更大。
如果石墨成链状出现，则非常危险。
长期在高温和应力条件下工作的钢材，由于高温使合金元素原子的扩散能力增加，会导致合金元素在固溶体和碳化物相之间发生转移过程。
那些对固溶体起强化作用的合金元素，如铬、钼、锰等，会不断地脱溶，而碳化物相中的合金元素会逐渐增多，即合金元素由固溶体向碳化物转移，出现固溶体中合金元素的贫化现象。
合金元素转移的结果，使材料的高温强度（蠕变极限和持久强度）下降。
锅炉技术问答分上中下三贴.如下:锅炉技术问答（上）第二章流体力学基础知识1、什么是流体？什么是可压缩流体与不可压缩流体？一切物质都是由分子组成的。
长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化
长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化
首先，金属材料的晶粒会发生长大。
在高温条件下，晶体的原子具有
较高的活动性，原子迁移速度加快，导致晶粒的尺寸逐渐增大。
晶粒的长
大会导致材料的晶界长度减少，晶界的总能量减小，从而提高材料的强度
和韧性。
其次，金属材料的晶界和晶界相会发生变化。
晶界是相邻晶粒之间的
界面，由于晶粒的长大，晶界的总面积减小，这有助于提高材料的力学性能。
同时，在高温条件下，晶界相可能会出现形变和相变。
形变晶界会导
致晶界的变脆和断裂，而相变会导致晶界相在晶界周围形成固相润滑层，
从而减小晶界摩擦，提高材料的抗磨性能。
此外，金属材料的相组成也会有所变化。
在高温条件下，固溶体中的
合金元素可能会发生扩散，从而改变材料的化学组成。
这些化学组成变化
会影响材料的力学性能，如硬度、强度和韧性等。
最后，金属材料的力学性能会发生变化。
在高温条件下，材料的热膨
胀系数增大，导致热膨胀变形增加。
另外，高温会降低材料的强度和硬度，但提高了材料的塑性和韧性。
因此，在高温条件下，金属材料更容易发生
塑性变形和热蠕变。
综上所述，在高温条件下，金属材料的组织结构和性能会发生一系列
变化，主要涉及晶粒、晶界、相组成和力学性能等方面。
这些变化对材料
的性能有着重要影响，了解和研究这些变化对工程应用具有重要意义。
金属材料在高温高压环境下的力学性能研究
金属材料在高温高压环境下的力学性能研究随着我国工业化的飞速发展，越来越多的重要设备需要承受高温、高压和强烈的腐蚀等极端环境下的作用，这些要求使得金属材料在这种极端环境下的力学性能变得至关重要。
因此，金属材料的研究成为热门话题，与此同时，也吸引了越来越多的科学家投入到这一领域的研究之中。
1. 高温高压下金属材料的研究研究表明，许多金属材料的力学性能在高温、高压的条件下都会发生剧烈的变化。
以高温环境为例，金属材料在高温下往往会发生微观结构的变化甚至出现晶粒细化等情况。
这些变化都会对金属材料的力学性能产生深刻的影响。
此外，高压环境下也会产生类似的变化。
高压环境可以导致金属材料的原子之间的距离变得更加紧密，微观结构因此也会发生改变。
并且，许多材料在高压条件下会发生相变，这些相变过程也会对金属材料的性能产生重要的影响。
因此，高温高压下金属材料的研究对于提高其力学性能具有非常重要的意义。
2. 金属材料在高温高压下的变形行为金属材料在高温高压环境下的变形行为也是比较复杂的。
一方面，高温高压下材料的变形行为可能会发生类观的变化，如在高压条件下，材料的屈服特征可能会发生密集沿晶屈曲的现象。
另一方面，当应力升高到一定程度时，材料会发生塑性屈服，因此需要进一步通过试验和数值模拟来研究材料的力学性能和变形行为。
3. 数值模拟的应用数值模拟是一种非常重要的研究金属材料在高温高压环境下力学性能的方法。
数值模拟可以以更加客观的方式预测材料的性能和力学行为，同时还可以对材料的特性进行更深入的研究。
在数值模拟研究中，通过对材料的微观结构进行建模，可以对材料的性质进行分析。
接着，利用有限元方法对材料的力学性能进行仿真模拟，在此基础上得出金属材料在高温高压下的力学性能变化规律和力学行为。
在实际应用中，数值模拟还可以用于设计金属材料及其制品。
通过合理的模拟和分析，可以帮助工程师们设计出更加具备优异性能的金属材料和结构，从而满足未来工业发展的要求。
金属材料在高温下的力学性能
金属材料在高温下的力学性能随着科技的不断发展，高温下的金属材料应用越来越广泛。
在航天、能源等领域中，机器和设备都需要承受高温环境带来的极大影响。
因此，研究金属材料在高温下的力学性能至关重要。
本文将从金属材料的高温本质讲起，通过分析金属的结构、组成和变形规律等方面探讨金属在高温下的力学性能，以及解决这些问题的一些方法。
1. 高温环境对金属材料的影响首先，我们需要了解高温环境对金属材料的影响。
高温环境下，金属会受到温度、氧化等外部条件的影响产生变化。
一些金属会因为氧化，产生表面膜，从而影响其力学性能。
另一些金属则可以利用氧化程度较低的方法来保护金属表面。
但是，这些方法都不能完全避免在高温下金属表面的变化，因此，高温下金属材料的力学性能是一个值得研究的问题。
2. 金属材料在高温下的变形规律金属材料在高温下的变形规律实际上是由金属晶体的结构、组成和行为而决定的。
每个晶体需要经历一系列复杂的形变过程，在高温下，本身就带有热能，所以这些过程会变得更加复杂和困难。
随着温度的升高，这些晶体会经历多种形变之后，最终形成微观结构的变化和塑性形变。
这其中涉及到了很多的数学模型和科学方法，为了更好地探讨这些问题，需要发展出更加高效和精确的数学模型和科学方法。
3. 解决高温下金属材料的力学性能问题的方法针对金属材料在高温下的力学性能问题，科学家们进行了大量的研究。
解决这些问题的方法主要有以下几种：（1）利用结晶学的理论研究金属材料的微观结构和组成，从而更好地理解其形变和塑性形变过程，寻找最优化的处理方法，提高金属材料的强度和韧性。
（2）使用先进的计算机模拟方法，模拟金属材料在高温下的变形和变化过程，从而可以更加准确地预测和分析不同金属材料的力学性能。
（3）在工程中应用高强度、高韧性和高温抗性的金属合金材料，通过改变其组成和结构，优化其力学性能，提高其抗损耗性和耐蚀性。
（4）开展一些新的研究工作，寻找新的材料和技术，来解决金属材料在高温下的力学性能问题，包括超高温合金研究等。
第四章长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化P
第四章长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化P在高温条件下，金属材料的组织结构和性能会发生一系列的变化。
这些变化一方面会对材料的力学性能产生影响，另一方面还会对材料的耐热性能、抗蠕变性等产生影响。
下面我们将详细探讨在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化。
一、晶粒长大与晶界形成当金属材料在高温下加热时，物质的扩散速率会加快，晶界的迁移也会促进晶粒的长大。
晶粒的长大过程中，大晶粒会吞噬小晶粒，使得材料整体晶粒尺寸增大。
这一过程被称为晶粒长大，是高温条件下材料结构变化的重要方面。
晶界的形成也是在高温条件下发生的。
晶界是指晶粒之间的界面区域，由于晶界具有高能状态，因此晶界对材料的性能有着重要影响。
在高温条件下，材料中的原子和离子会以较高的速率迁移，晶界也会发生迁移，从而形成新的晶界。
这些新形成的晶界可能会对材料的电导性、热导性等性能产生影响。
二、晶体结构的变化在高温条件下，金属材料的晶体结构也可能会发生变化。
正常晶体结构可能会由于高温和热应力的作用而发生相变，转变为其他晶体结构。
晶体结构的改变会对材料的性能产生一系列的影响。
三、相分离与相变在高温条件下，一些材料可能会发生相分离现象。
相分离是指在材料中不同成分的原子或离子会因为热运动而聚集在一起，形成相互分离的区域。
这种相分离现象一方面会改变材料的组织结构，另一方面还会对材料的性能产生影响。
相变也是深受高温影响的重要现象。
相变是指材料在温度变化过程中，由于热力学上的平衡要求而发生的物态变化。
一些材料在高温下可能会发生相变，形成新的晶体结构。
这种相变会改变材料的组织结构，从而对材料的性能产生影响。
总之，在高温条件下，金属材料的组织结构和性能会发生一系列的变化。
这些变化可能包括晶粒长大、晶界形成、晶体结构的变化、相分离和相变等。
这些变化对材料的力学性能、耐热性能和抗蠕变性等都会产生影响。
因此，在材料的设计和应用中，必须考虑和充分理解高温条件下材料组织结构与性能的变化，以便选择适合的材料和工艺，并做好相应的应用和性能评估。
金属材料在高温下性能的变化
金属材料在高温下性能的变化(总1页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除金属材料在高温下性能的变化以下是几个金属材料在高温下性能变化相关的几个名词解释①蠕变钢材在高温下受外力作用时，随着时间的延长，缓慢而连续产生塑性变形的现象，称为蠕变。
钢材蠕变特征与温度和应力有很大关系。
温度升高或应力增大，蠕变速度加快。
例如，碳素钢工作温度超过300～350℃，合金钢工作温度超过300～400℃就会有蠕变。
产生蠕变所需的应力低于试验温度钢材的屈服强度。
因此，对于高温下长期工作的锅炉、蒸汽管道、压力容器所用钢材应具有良好的抗蠕变性能，以防止因蠕变而产生大量变形导致结构破裂及造成爆炸等恶性事故。
②球化和石墨化在高温作用下，碳钢中的渗碳体由于获得能量将发生迁移和聚集，形成晶粒粗大的渗碳体并夹杂于铁素体中，其渗碳体会从片状逐渐转变成球状，称为球化。
由于石墨强度极低，并以片状出现，使材料强度大大降低，脆性增加，称为材料的石墨化。
碳钢长期工作在425℃以上环境是地，就会发生石墨化，在大于475℃更明显。
SH3059规定碳钢最高使用温度为425℃，GB150则规定碳钢最高使用温度为450℃。
③热疲劳性能钢材如果长期冷热交替工作，那么材料内部在温差变化引起的热应力作用下，会产生微小裂纹而不断扩展，最后导致破裂。
因此，在温度起伏变化工作条件下的结构、管道应考虑钢材的热疲劳性能。
④材料的高温氧化金属材料在高温氧化性介质环境中（如烟道）会被氧化而产生氧化皮，容易脆落。
碳钢处于570℃的高温气体中易产生氧化皮而使金属减薄。
故燃气、烟道等钢管应限制在560℃下工作。
2。
金属材料的高温环境下行为与性能
金属材料的高温环境下行为与性能高温环境对金属材料的影响是不可避免的，尤其是在航空航天、能源、电子、汽车等领域，这些领域需要高性能的材料来满足不同的需求。
在现代材料科学中，人们将焊接、防蚀、加工、机械性能等各种材料性质进行了深入的研究。
所以，研究金属材料在高温环境下的行为和性能，对于保障高技术行业的安全、可靠和长期稳定起着至关重要的作用。
一、高温环境对金属材料的影响在高温环境下，金属材料受到的温度和环境压力相对较高，这种影响主要有以下几个方面：1.金属材料的抗拉强度、硬度和韧性等机械性能逐渐降低；2. 金属材料的形变、脆性和断裂等的碎裂机制发生变化；3. 金属材料表面发生氧化、腐蚀等化学反应。
二、金属材料在高温环境下的行为1. 材料的纹路变化高温对金属的主要改变就是在材料中形成了纹路变化，纹路主要是因为材料修改了形变和应力。
材料中发生的形变式热膨胀和力学应力有关，所以这些都会引起材料的变化，并可能在较高温度下发生塑性裂纹。
2. 材料的塑性在高温环境下，金属材料伸展或展开的行为将取决于材料的塑性行为。
材料的塑性也取决于塑性加工的影响，例如材料的屈服点会随着温度升高而降低。
因此，在高温环境中，金属材料的塑性略微增加，但高于一定的温度会出现塑性急剧下降的现象。
3. 材料的拉伸性能在高温环境中，金属材料的拉伸性能随着温度升高而急剧降低。
这是因为温度升高时，金属材料中的晶格容易发生松动，形成了巨大的晶界；同时材料受到了化学反应的影响，加速了金属材料的老化。
4. 材料的变形高温环境下，材料变形通常也与其应变率有关。
当温度较高或载荷快速加载时，材料的弹性部分贡献减少，而快速变形反应增加，因此材料的弹性模量在高应变率下可能会降低。
三、高温环境下金属材料的性能1. 抗氧化性和抗腐蚀性在高温环境下，金属材料容易遭受腐蚀和氧化，降低了其强度和耐久度。
要防止金属在高温环境下氧化、腐蚀的现象发生，可以选用具有抗氧化和抗腐蚀性的金属材料或者采用氧化剂和腐蚀剂的保护措施，来有效延长金属的使用寿命。
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2、球化对金属材料性能的影响 （1）对室温机械性能的影响 珠光体球化会使材料的室温强度降低
（2）对高温机械性能的影响
珠光体球化会使材料的的蠕变极限和 持久强度明显下降
3、影响珠光体球化的因素
•温度的影响
•化学成分的影响 •应力作用的影响 •晶粒度的影响 •冷加工变形程度
4、珠光体球化的级别
球化级别的划分的依据：
第四章 长期在高温条件下金属材料 组织结构与性能的变化
珠光体的球化和碳化物聚集 1、珠光体的球化
定义：当温度较高时，原子的活动力增强，扩
散速度增加，片状渗碳体便逐渐转变成球状， 再逐渐聚集成大球团的现象。
20号钢珠光体球化金相组织图 （a）未球化（原始态）组织250×；(b) 球化后的组织500×
→长大成球→逐渐发展为球状、团絮状和 链状
2、石墨化的级别
钢材石墨化按石墨化面积、石墨链的 长度、组织特征及其机械性能，通常将 石墨化分为4级： 1级—轻度石墨化 2级—明显石墨化 3级—显著石墨化 4级—严重石墨化
石墨化的级别对应的机械性能
级别 1 2 3 4
(%)
>24 10~30 6~20 <10
Hu20 硬度
（载荷 20g） 160 140 146 143
碳化物面积百分比 （
m
）
0.0384
0.2885
0.5920
0.9176
1.2301
20 号低碳钢珠光体球化级别标准与组织特征 名称 未球化 倾向性 球化 球化级别 第一级
b ( MPa )
519.9
s ( MPa)
347.3
(%)
30.0
HB 150～155
组织特征 珠光体中的碳化物略呈片 状 珠光体中的碳化物开始分 散；珠光体形态明显 珠光体区域中的碳化物开
影响因素：温度、时间、成分（特别是含 碳量）、应力 发生原因：
合金元素原子溶入铁素体→固溶体→ 产生 晶格畸变→ 晶格不稳定→在高温的作用下 → 合金元素原子从固溶体中转移到结构比 较稳定的碳化物中→ 固溶体的贫化
合金元素的重新分配过程包含两个方面：
•固溶体和碳化物中合金元素含量的变化， 亦即碳化物成分的变化； •碳化物结构类型、数量和分布形式的变 化。
2、固溶体和碳化物中合金元素成分的变化
（1）低合金铬钼钢
(a) 15CrMo钢
(b) 12MoCr钢
管道用钢碳化物中的钼质量分数与运行时间的关系
12MoCr 钢长期在 510℃下运行时碳化物成分的变化 碳化物中合金元素的量占钢中 运行条件 温度（℃） 未运行 510 510 510 时间（h） 未运行 45141 90329 106765 Mn 10.2 23.1 27.9 29.1 合金元素量的百分比（%） Cr 11.3 23.6 18.1 24.0 Mo 2.7 24.2 41.5 55.3 铁素体的显微
之间的重新分配
1、合金元素的重新分配过程
定义：合金元素随时间由一种组织组成物 向另一种组织组成物转移的现象 分配特点：固溶体中合金元素的含量逐渐 减少，碳化物中合金元素含量逐渐增多， 即合金元素由固溶体向碳化物转移，使固 溶体中合金元素贫化。
性能变化：钢的固溶强化作用显著降低， 同时沉淀强化的作用也减弱，因此材料的 强度、蠕变极限和持久强度下降
(%)
>50 15~50 6~20 <10
a k ( J / cm )
>80 50~100 20~50 <30
石墨化级别及其机械性能 2 弯曲角
o o o
石墨化面积(%)
m ( 石墨链长
<20 20~30
)
o 90
50 ~100
o
20 ~70lt;3 3~7 7~15 12~30
是以球化的组织状态和相应的机械性 能来表示。
20 号低碳钢各球化级别相应的碳化物分析数据 球化级别 碳化物平均尺寸 （m ） 1级 1.0391 2级 1.0923 3级 1.2432 4级 1.7906 5级 2.7916
碳化物最大尺寸 （
m
）
1.9968
3.3823
3.8785
5.6848
7.6470
第二级
485.6
300.2
29.0
146～150
轻度 球化
第三级
456.2
277.6
31.0
121～124
始分散，并开始逐渐向晶 界扩散；珠光体形态尚明 显
中度 球化
珠光体区域中的碳化物已 第四级 416.9 204.1 33.4 110～122 明显分散，并已向晶界聚 集；珠光体尚保留其形态 珠光体形态已消失，球状 第五级 367.9 196.2 35.8 104～107 化碳化物分布在晶界及铁 素体基体上，分散度较大 第六级 359.1 188.4 38.8 99.5～104 晶界及铁素体上的碳化物 已逐渐长大，分散度大
完全 球化 严重 球化
5、材料发生球化后的恢复处理
已发生球化的钢可采用热处理的方法 使之恢复原来的组织。将已发生球化的珠 光体钢加热到完全变成奥氏体组织的温度 （略高于900℃），保温一定时间（约1小 时左右），由于相变与再结晶，在冷却后 可得到原来的金相组织，从而消除了球化 现象
石墨化
1、石墨化的产生及对材料性能影响
定义：是指钢中的渗碳体分解成为游离碳， 并以石墨形式析出，在钢中形成石墨夹杂 的一种组织转变。
性能：石墨化现象的发生会使钢材性能恶 化，脆性急剧增大，容易导致钢管发生脆 性爆破事故。
石墨化条件：
高温、应力、温度（450℃~700℃）
反应式：
（石墨）
组织变化过程：
片状渗碳体→球状渗碳体→分解为石墨点
30~60 60
石墨化的级别对应的组织特征
石墨化级别及其组织特征 级 别 1 2 3 4 特 征 石墨球小，间距大，无石墨链 石墨球较大，比较分散，石墨链短 石墨球呈链状，石墨链较长，或石墨聚集呈块状， 石墨块较大，具有连续性 石墨呈聚集链状或块状，石墨链长，具有连续性 严重石墨化 名 称 轻度石墨化 明显石墨化 显著石墨化 图号
图 3-3(a) 图 3-3(b) 图 3-3(c) 图 3-3(d)
石墨化评级图
(a) 1级；(b) 2级；(c) 3级；(d) 4级
3、石墨化的影响因素
•温度、时间
•化学成份：铬、钛、钒、铌等防止石墨 化。硅、铝、镍等却起促进石墨化。 •晶粒大小
•冷加工变形程度等存在的应力问题
合金元素在固溶体和碳化物