金属材料的高温特性

2.2
金属疲劳
金属材料在交变应力（随时间作周期性改变的应力） 的长期作用下发生断裂破坏的现象称为金属疲劳。金属 疲劳最易发生在做旋转或往复运动的金属部件上，如汽 轮机的转子、叶片等。
2.2.1 疲劳破坏的特征
由于频繁的设备启、停，变负荷运行时压力和温度 的变化和波动，会导致金属部件突然断裂或破坏，因此 疲劳破坏具有突然性的特征。
2.5.1 冷脆性
金属材料在低温下发生的低应力脆断，都是冷脆性 所致，冷脆性与金属的晶格有关，仅产生于具有体心立 方晶格的金属中，如铁、钨等，具有面心晶格的铝、镍
铜及其合金不发生低温脆断，为避免冷脆性造成的设备 事故，应知道金属材料的低温脆性转变温度（FATT） 令其工作在FATT之上。
合金元素：金属材料中加入Ni、Mn可使FATT降低，但随着C、 P、Si的增加，FATT会明显升高。 加载速度：缓慢加载可降低FATT，且使它的范围扩大；快速 加载不但提高FATT，且使它的范围变小。 热处理方式：在随炉冷却－空气冷却－油冷却－水冷却四种不 同热处理方式下，金属材料的脆性依次增加。 晶粒度：细晶粒钢比粗晶粒钢具有较高的冲击韧性。
2.3
金属蠕变
金属材料在高温条件下工作，虽然受到的热应力较 小，但长期在该应力的作用下，也会发生缓慢的但是连 续的塑性变形。 金属材料在一定的温度和压力下，随时间的延续所 发生的缓慢、连续的塑性变形现象称为蠕变现象，金属 的变形称为蠕变。
不同的金属材料，开始发生蠕变的温度各不相同，速度也不 相同，且温度越高，蠕变现象愈显著。普通碳素钢发生蠕变约在 200～350℃之间,合金钢则在400℃以上。 电厂热力设备中，长期工作在高温下的过、再热器管道等都 会发生蠕变现象，严重时会造成管壁变薄，强度下降，最后引起 爆管事故。引起蠕变的应力可能是一种，也可能发生在复杂的应 力下，多数情况下，引起蠕变的应力主要是由于拉应力。
2.5.2 兰脆性
钢材在200 ℃ ～300 ℃范围内，其强度升高而塑性 降低的现象称兰脆性。因为在此温度范围内，金属表面 锈膜呈兰色。
2.5.3 热脆性
长期处于400～500℃之间的钢材冷却到常温时冲击 强度明显降低，通常可降低50％～60％甚至更高，这种 现象称为热脆性。几乎所有的钢材都具有热脆性，低合 金镍铬钢、锰钢最易产生热脆性。另外，钢材的缺陷， 不论宏观，还是微观（气孔、划痕、杂质），都会造成 金属热脆性。
2.3.2 应力与温度对蠕变的影响
不同金属材料在相同条件下蠕变曲线不同，同一金 属材料随着应力与温度的不同，蠕变曲线也不相同。
蠕变直接影响到金属部件的寿命，在电厂中对金属 部件的蠕变变形量有严格的要求。因此，对这些部件进 行强度计算时，要以蠕变极限作为强度计算指标。
2.3.3 蠕变极限
金属材料在一定温度下，在规定时间内，产生小于 某规定值的蠕变变形量或蠕变速度时所能承受的最大应 力称为蠕变极限。
2.1.2 金属材料的塑性Байду номын сангаас
应力超过屈服点后，金属材料产生永久变形而不 发生断裂破坏的能力。通常可以用延伸率和断面收缩率 来表示。
延伸率：
A
lu l 0 l0 Z
100% 100%
断面收缩率：
S0 Su S0
2.1.3 金属材料的硬度
金属材料抵抗坚硬物体压入其表面的能力，常用布 氏硬度和洛氏硬度两种表示方法。
经常发生在应力低于强度极限的情况下，属于低应力破坏。 静载荷荷下属于有韧性的脆性断裂；交变应力下为无明显塑性 变形的脆性断裂。
2.2.2 疲劳的分类
按照疲劳试验中金属材料断裂破坏前经历的负荷循 环周期的多少分为：
高周期疲劳：循环周期大于105小时，例如热疲劳。 低周期疲劳：循环周期小于105小时，例如腐蚀疲劳。
综上所述，产生热应力的根本原因是在温度变化时物体的变 形受到约束所致。 外部变形的约束 相互变形的约束 内部各区域之间变形的约束
高温过热器金属管爆口图片
后屏过热器金属管爆口图片
水冷壁爆管图片
2.2.3 疲劳产生的原因
一般认为疲劳产生的原因为金属材料在交变应力作 用下，虽然应力小于强度极限，但由于金属材料表面或 内部有毛刺、划痕及杂质等缺陷，造成应力集中而导致 微裂纹，由此产生疲劳源，在交变应力的长期作用下裂 纹逐渐扩展，最终断裂破坏。
2.2.4 疲劳极限
疲劳极限的定义为：金属材料在交变应力作用下， 经无限次循环而不发生破坏所能承受的最大应力。
2.2.5 影响疲劳极限的因素
内在因素：材料本身的强度、塑性、组织结构、纤维方向、内 部缺陷等，材料的强度和塑性越好，抗疲劳断裂的 能力越大。 外在因素：零件的工作条件、表面光洁度等。内部有夹杂、表 面光洁度低，有刀痕和磨痕，都可以引起应力集中 而使疲劳极限下降。 其他因素：在酸性、碱性、盐的水溶液等腐蚀性介质中长期工 作的金属部件，表面会发生腐蚀，腐蚀产物嵌入金 属内，会造成应力集中而使疲劳极限下降。
2.3.1 蠕变过程
金属蠕变时，其变形量（ε）与时间（τ）的关系曲 线称为金属的蠕变曲线。典型的金属蠕变曲线如图所示， 大致可以分为四个阶段。
瞬时变形阶段（受力瞬间产生的弹性变形或塑性变形） 减速变形阶段（变形速度下降） 稳定变形阶段（变形速度保持稳定） 加速变形阶段（变形速度加快，直至发生断裂破坏）
— 应 力 ， MPa
t —温度， C


t
或 H
t
—变形量，％ H —变形速度，％ —持续时间，h
1700 / 10 4 20 表示试件在700℃，持续时间为10000h，产
生的变形量为1%时，能承受的最大应力为20MPa。
2.3.4 持久强度
金属材料在某一温度下，在规定时间内，产生断裂 破坏时需要的最大应力值称为持久强度。
— 应 力 ， MPa
t
700 100 30
t —温度， C

—持续时间，h
表示试件在700℃，持续时间为100h，产生断裂 破坏时需要的最大应力为30MPa。
蠕变极限以材料变形为主，如汽轮机叶片，只允许产生一定的 变形，设计时必须考虑蠕变极限。 持久强度以材料产生断裂破坏时可以承受的应力为主，如锅炉 受热面金属管，要求运行中不发生爆管即可，设计时以持久强 度作为其性能指标。
2.6
金属的热应力
在热力设备中，温度变化会引起受热金属部件的变 形（包括膨胀或收缩），这种变形统称为热变形。如果 这种热变形受到约束，则在金属内会产生应力，这种应 力称为热应力，又称温度应力。
2.6.1 热应力的产生
对均质物体进行加热或冷却时，如果物体内部的温度分布不均 匀，即使物体两端没有约束，由于物体内各部分纤维之间的膨 胀或收缩不相等，物体各部分会产生热应力。此时，高温区为 压缩热应力，低温区为拉伸热应力。 对于不均质物体或者由各种不同线膨胀系数的几种材料组合成 的物体，即使整个物体内温度分布是均匀的，物体内部同样会 产生热应力。
2.5
金属脆化
金属材料发生的脆化现象大致可分为两类：一类是 在一定温度条件下出现的脆性，当温度条件改变后，脆 性自动消失；或在一定温度下，经过一段时间后出现的 脆性，但金属的组织并无明显变化，属于此类的有冷脆 性、兰脆性、热脆性和回火脆性等。另一类是金属受到 交变应力作用、介质的侵蚀及在高温下长期工作后，因 金属组织的改变而引起的脆化现象。这种脆性一旦出现 一般难以消除。
2.3.5 影响蠕变的因素
通常认为影响蠕变的因素主要为金属材料的化学成 分、冶炼工艺、晶粒大小及工作温度等。
化学成分：普通碳钢的抗蠕变性能较差，蠕变起始温度大约为 300℃。加入Cr、Mo、W等合金可以提高金属的抗 蠕变性能，尤其以Mo最有效。 冶炼工艺：电炉钢优于平炉钢，电炉钢中高频炉钢优于电弧炉 钢。 晶粒大小：粗晶粒钢具有较高抗蠕变性能，但晶粒变粗会降低 金属材料的塑性和韧性。 工作温度：温度越高，金属材料的抗蠕变性能会下降，温度波 动也会加快金属材料的蠕变变形速度。
2.4
金属松弛
在一定高温和一定应力状态下，总变形保持不变， 应力随时间逐渐降低的现象，称为金属的松弛。
0 p e 常数
0 —松弛开始时金属材料的总变形 P —金属材料的塑性变形 e —金属材料的弹性变形
P
e
在松弛过程中，弹性变形逐渐减小，塑性变形逐渐增加，所 以应力σ降低。紧固好的法兰螺栓，在运行中又自行变松的现象 可以用金属松弛理论来解释。
2.1
金属材料的机械性能
2.1.1 金属材料的强度
金属在受力时抵抗外力破坏的能力称为金属材料的 强度。有抗拉、抗压、抗弯、抗扭强度等指标。可用极 限应力值表示。
弹性极限：金属不产生永久变形，所能承受的最大应力。 屈服极限：不增加负荷，使金属变形增加的最小应力。 强度极限：金属发生破坏时所能承受的最大应力。