花岗岩高温力学性能
国内外学者对岩石在常温、高温高压下的各种物理力学性能进行了研究。Alm等考察了花岗岩受到不同温度热处理后的力学性质，并对花岗岩在温度作用下微破裂过程进行了讨论；张静华等对花岗岩弹性模量的温度效应和临界应力强度因子随温度的变化进行了研究；寇绍全等系统地研究了经过热处理的Stripa花岗岩的力学特性，得到了工程中需要的基本力学参数；林睦曾等研究了岩石的弹性模量随温度升高而变化的情况；Oda等研究了在温度作用下岩石的基本力学性质；Lau研究了较低围压下花岗岩的弹性模量、泊松比、抗压强度随温度的变化规律以及破坏准则；许锡昌等通过试验，初步研究了花岗岩在单轴压缩状态下主要力学参数随温度（20～600℃）的变化规律；朱合华等通过单轴压缩试验，对不同高温后熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的力学性质进行了研究，分析比较3种岩石峰值应力、峰值应变及弹性模量随温度的变化规律，并研究了峰值应力与纵波波速、峰值应变与纵波波速的关系。
1.高温下花岗岩力学行为研究
张志镇在《花岗岩力学特性的温度效应试验研究研究》一文中以花岗岩（采自山东省兖州矿区济二井，主要成分为长石，以含钙钠长石为主，有部分钾长石，同时含有部分伊利石、辉石和少量其他矿物。加工成直径为25mm，高为50mm的圆柱体）为研究对象，在进行实时高温作用下（常温～850℃）单轴压缩试验。得到的应力－应变曲线亦大致经历4个阶段：压密阶段、线弹性阶段、弱化阶段和破坏阶段。由图1可以看出，实时高温作用下花岗岩的应力-应变曲线形状几乎一致，非弹性变形过程相对较短，当应力达到峰值时，岩样迅速破裂，呈脆性破坏；温度升高，直线段的斜率降低，表明弹性模量随着温度的升高而降低；温度超过550℃以后，峰值明显减小，轴向应变呈现出增大的趋势，主要是因为岩样的脆性减弱而延性增强。从热-力学的角度，当温度升高时，岩石晶体质点的热运动增强，质点间的结合力相对减弱，质点容易位移，故塑性增强而强度降低。
第８卷第３期 ２ ００ ６年９月 辽宁师专学报 Ｊｏｕｒｎａ．．．．．１．．．．．ｏｆＬｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｖｏ１．８ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２ ０ ０ ６ 【学术研究】
影响金属高温力学性能的因素
孙方遒 （渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛１２５００５）
摘 要：对金属材料高温力学性能的评定应建立金属高温力学性能指标，讨论合金化学成分、冶炼工艺、 热处理工艺及晶度对高温金属的蠕变极限和持久强度的影响． 关键词：蠕变极限；持久强度；合金化学成分；冶炼＿Ｔ－艺；热处理工艺；晶粒度 中图分类号：ＴＢ３０１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—５６８８（２００６）０３—００１４—０１ 在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、化工炼油设备以及航空发动机中，很多机件是长期在高温条件下 工作的．对于制造这类机件的金属材料，如果仅考虑常温短时静载下的力学性能是远不能满足实际要求 的，因为，温度对金属材料的力学性能影响很大．一般随温度升高，金属材料的强度降低而塑性增加，而 且在高温下，载荷持续时间对力学性能有很大的影响．所以，对于材料的高温力学性能，不能只简单用常 温下短时拉伸的应力一应变曲线来评定，还必须引人温度与时间两个因素，研究温度、应力、应变与时间 的关系，建立评定材料高温力学性能的指标＋ １ 金属高温力学性能指标 ｌ，ｌ 蠕变极限 蠕变是指金属材料在恒应力长期作用下的塑性变形现象．为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产 生过量变形，要求金属材料具有一定的蠕变极限．和常温下的屈服强度 及 相似，蠕变极限是高温长 期载荷作用下材料的塑性变形抗力指标．蠕变极限一般有两种表示方式：一种是在给定温度下，使试样产 生规定蠕变速率的应力值；另一种是在给定的温度下及规定的实验时间内，使试样产生一定蠕变伸长率的 应力值． １．２持久强度 与常温下的情况一样，金属材料在高温下的变形抗力与断裂抗力也是两种不同的性能指标．因此，对 于高温材料除测定蠕变极限外还须测定其在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力，即持久强度．金属材料 的持久强度，是在给定温度下，恰好使材料经过规定的时间发生断裂的应力值． 衡量金属材料力学性能指标还有松弛稳定性等其它指标． ２影响蠕变极限和持久强度的主要因素 由蠕变变形和断裂机理可知，要降低蠕变速率提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速率；要提高断裂 抗力，即提高持久强度，必须抑制晶界的滑动和空位扩散，也就是说要控制晶内和晶界的扩散过程＋这种 扩散过程主要取决于合金的化学成分，但又与冶炼工艺、热处理工艺等因素密切相关． ２．１合全化学成分的影响 耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金＋这是因为在一 定的温度下，熔点越高的金属自扩散激活能越大，因而自扩散越慢；如果熔点相同但晶体结构不同，则自 扩散激活能越大的，自扩散越慢；堆垛层错能越低的越容易产生扩展位错，使位错难以产生割阶、交滑移 及攀移．这都有利于减低蠕变速率．大多数面心立方结构金属的高温强度比体心立方结构的高，这是一个 主要的原因． 在基体金属中加人铬、钼、钨、铌等合金元素形成单相固溶体，除产生固溶强化作用外，还因合金元 素使层错能降低，容易形成扩展位错，以及溶质原子的结合力较强，增大了扩散激活能，从（下转３５页）
1 第08章 金属高温力学性能
1．解释下列名词：
(1 )等强温度；(2) 约比温度；(3) 蠕变；(4) 稳态蠕变；(5) 扩散蠕变；(7) 持久伸长率；(8) 蠕变脆性；(9) 松弛稳定性。
2．说明下列力学性能指标的意义：
(1) σtε；(2) σtδ/τ；(3) σtτ；(4)σsh
3．试说明高温下金属蠕变变形的机理与常温下金属塑性变形的机理有何不同?
4．试说明金属蠕变断裂的裂纹形成机理与常温下金属断裂的裂纹形成机理有何不同?
5．Cr—Ni奥氏体不锈钢高温拉伸持久试验的数据列于下表。
(1) 画出应力与持久时间的关系曲线。
(2) 求出810℃下经受2000h的持久强度极限。
(3) 求出600℃下20000h的许用应力(设安全系数n=3)。
6．试分析晶粒大小对金属材料高温力学性能的影响。
7．某些用于高温的沉淀强化镍基合金，不仅有晶内沉淀，还有晶界沉淀。晶界沉淀相是一种硬质金属间化合物，它对这类合金的抗蠕变性能有何贡献?
8．和常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点?造成这种差别的原因何在?
9．金属材料在高温下的变形机制与断裂机制，和常温比较有何不同?
10．讨论稳态蠕变阶段的变形机制以及温度和应力的影响。
11．蠕变极限和持久强度如何定义，实验上如何确定?
12．什么是Larson-Miller参数，它有何用处?
13. 提高材料的蠕变抗力有哪些途径?
14．应力松弛和蠕变有何关系?如何计算一紧固螺栓产生应力松弛的时间。
15．为什么许多在高温下工作的零件要考虑蠕变与疲劳的交互作用?实验上如何研究这种交互作用?应变范围分配法如何预测疲劳—蠕变交互作用下的损伤? 2
2017年06
月专业管理金属高温力学性能影响因素的分析与研究陈黎(浙江赛福特特种设备检测有限公司,浙江杭州310020)摘要：对于高压蒸汽锅炉、化工炼油设备、汽轮机及航空发动机等，其工作环境温度非常高，则为了保证制造用金属材料的安全，要求深入研究影响金属高温力学性能的因素。关键词：金属材料；高温力学性能；影响因素金属材料是金属元素或以金属元素为主成分且具有金属特性的材料统称，比如纯金属、合金、特种金属材料及金属材料金属间化合物等。目前，在高温环境下使用的机件通常由金属材料制成，但温度会对金属的力学性能产生重大影响，即在温度升高后，金属的强度下降、塑性增强；在高温条件下，载荷的持续时间会对金属的力学性能产生较大影响。据此，为了提高金属的力学性能及满足实际需要，本文笔者主要探讨影响金属高温力学性能的因素。1金属高温力学性能指标1.1蠕变极限所谓蠕变，指的是金属长时间在恒温、恒载荷条件下出现的塑性变形现象。在低温条件下，蠕变现象同样会产生，通常在约比温度＞0.3时较为明显，其中约比温度是试验温度与金属熔点绝对温度的比值。例如，在合金钢温度＞400℃、碳钢温度＞300℃时，便需将蠕变的影响考虑其中。金属的蠕变过程按蠕变速率分为减速、恒速、加速蠕变阶段，其中减速蠕变阶段的速率开始增大，但呈减速趋势；恒速蠕变阶段的速率基本不变；加速蠕变阶段的速率逐渐增大，直至产生断裂。为了防止金属机件长时间在高温载荷条件下过量蠕变，规定金属具有相应的蠕变极限，其是金属长时间在高温载荷条件下的塑性变形抗力指标，具体可用下列方式表示：一是在温度t一定时，试样的稳态蠕变速率ε在规定范围内的最大应力σtε；二是在温度t与试验时间T一定时，试验的蠕变总伸长率δ在规定范围内的最大应力σtδτ。1.2持久强度极限所谓持久强度，指的是金属长时间在高温载荷条件下的抗断裂能力，而持久强度极限是在温度t一定时，既满足持续时间τ的要求，又不引起试验断裂的最大应力σtτ。2影响金属高温力学性能的因素针对金属高温力学性能的提高，其要求对晶内、晶界原子的扩散进行控制，且其主要与合金的化学成分、热处理及冶炼工艺等有关，具体表现如下：2.1合金的化学成分研究发现，若金属位错克服障碍需要的蠕变激活能足够高，其产生蠕变变形的几率便非常低；纯金属需要的蠕变激活能接近扩散激活能，则要求合金与耐热钢选择层错能低、熔点高或自扩散激活能大的合金与金属作为基体材料。在基体材料中，可加入铌、钨、钼、铬等合金元素，使其变为单相固溶体，从而使材料的扩散激活能及蠕变极限增大；可加入促进弥散相形成的合金元素，以提高材料的高温强度；可加入稀土、硼等增大晶界扩散激活能的合金元素，以提高材料的蠕变极限、持久强度极限。2.2冶炼工艺鉴于高温合金对气体含量、杂质元素的要求严苛，则应优化冶炼工艺，以控制合金内的杂质含量，并防止产生冶金缺陷。例如，镊金合金在真空冶炼后，铅的含量从5/1000000降至2/1000000以下可使合金的持久时间延长一倍。在实际应用中，高温合金易在应力、垂直向的横向晶界上产生裂纹，则为了控制横向晶界及延长合金的持久时间，可采取定向凝固工艺。例如，镊基合金在运用定向凝固工艺后，可使其在645MPa、760℃应力条件下的断裂寿命增加4-5倍。2.3热处理工艺通常而言，不同钢种所采用的热处理工艺不尽相同。例如，珠光体耐热钢主要采用的是正火+高温回火工艺，即借助较高的正火温度，使碳化物完全溶入奥氏体内；回火温度比使用温度高100-150℃，其可稳定材料在使用温度条件下的组织。无论合金或奥氏体耐热钢，其常通过固溶强化处理与时效处理来获得符合规定的晶粒度，并使强化相分布的状态得以改善。研究发现，形变热处理可使晶界形状发生改变，且晶内的亚晶界具有多边化的特征，从而强化了合金。例如，GH78、GH38型铁基合金经过形变热处理，其在630℃、550℃时100h的持久强度各提高20%和25%，且持久塑性也非常高。2.4晶粒度研究发现，金属高温力学性能受晶粒度的影响较为明显，即：若使用温度比等强温度低，则细晶粒钢的强度较高；若使用温度比等强温度高，则粗晶粒钢的蠕变极限、持久强度极限较高，但晶粒过大会使金属在高温条件下的冲击韧性与持久塑性下降，因此应按合金的成分与工作条件设定最佳晶粒度范围；晶粒度的均匀度不够会使金属的高温力学性能下降，因为易因晶粒交接处的应力集中而产生裂纹。3结语综合前文，影响金属高温力学性能的因素包括合金的化学成分、热处理与冶炼工艺、晶粒度等。为此，金属高温力学性能的提高要求综合考虑每一种影响因素，并从客观实际出发，采用综合手段实现既定目标。参考文献：[1]刘宝龙,马艳红,张大义,洪杰.金属橡胶力学特性的热处理工艺影响[J].北京航空航天大学学报,2013,02:259-263.[2]范淑玲,章兰珠,林剑红,徐丹丹,蔡仁良,刘雁.金属与金属接触型石墨密封垫片高温力学性能的试验研究[J].压力容器,2013,04:1-7.[3]陈重毅,麻永林,邢淑清,王文君,陆恒昌.Monel-400熔敷金属高温力学性能及断裂行为分析[J].材料热处理学报,2014,06:38-43.[4]邢希学,邸新杰.一种镍基高温合金熔敷金属的组织及性能[J].焊接学报,2014,09:73-76+5.101
