耐熱鋼的高溫力學性能

耐熱鋼的基本性能是它在高溫下的力學性能和耐腐蝕性能，同時還有常溫下的力學性能、工藝性能和物理性能等。

耐熱鋼的高溫力學性能主要包括蠕變性能、持久強度、疲勞性能、松弛性能等。

1、蠕變性能

耐熱材料的蠕變是指溫度高于0.5T_熔點下，材料所承受的應力遠低于屈服強度的應力時，隨著加載時間的持續(xù)增加而產(chǎn)生的緩慢塑性變形現(xiàn)象。通常用蠕變曲線來描述材料的蠕變規(guī)律。在實踐中通常使用條件蠕變極限來測定耐熱鋼的蠕變性能。條件蠕變極限是指在獲得一定變形速率，在規(guī)定時間內(nèi)獲得一定總變形量的應力。一般用下列兩種方式表示：

1) 以伸長率確定蠕變極限時，用σ_δτ/τ表示；

2) 以蠕變速率確定蠕變極限時，用σ_v表示。

在工程實踐中常用規(guī)定的蠕變速率確定蠕變極限。汽輪機、鍋爐設備零部件的工作時間一般規(guī)定為10⁵h。用于汽輪機、鍋爐設備的耐熱鋼，其條件蠕變極限的確定是以10⁵h變形為1%時的應力來計算零部件的強度。

2、持久強度

耐熱材料的持久強度是指在給定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)斷裂時的強度，要求給出的只是此時所能承受的最大應力。持久強度試驗不僅反映材料在高溫長期應力作用下的斷裂應力，而且還表明斷裂時的塑性(即持久塑性)。耐熱材料零部件在高溫下工作的時間長達幾百小時，幾千小時，甚至幾萬小時，而持久強度試驗不可能進行那么長時間，一般只做一些應力較高而時間較短的試驗，然后根據(jù)這些試驗數(shù)據(jù)利用外推法，得出更長時間的持久強度值。但外推法所得持久強度值可能與實際值有差距，因此，重要的材料仍需進行長達數(shù)萬小時的持久強度試驗。

耐熱材料零部件由于溫度波動會加速蠕變過程，降低持久強度。有些耐熱鋼有缺口敏感性。缺口所造成的應力集中對持久強度的影響決定于試驗溫度、缺口的幾何形狀、鋼的持久塑性、熱處理工藝及鋼的成分等因素。

3 、疲勞性能

高溫下工作的材料，除經(jīng)受機械疲勞之外，還經(jīng)受熱疲勞作用。材料經(jīng)多次反復熱應力循環(huán)以后導致破壞的過程稱為熱疲勞。航空發(fā)動機渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤及汽輪機葉片等部件經(jīng)常處于溫度急劇交變情況下工作．使材料內(nèi)部承受交變的熱應力，同時伴隨著彈性變形的循環(huán)，由此引起塑性變形逐漸積累損傷，最后導致材料破壞。由于熱疲勞裂紋的形成是塑性孌形逐斷積累損傷的結果，因此用塑性變形幅度作為熱疲勞過程受載特性，建立起塑性變形幅度與熱循環(huán)次數(shù)間的關系作為耐熱材料的熱疲勞強度。塑性變形與破裂壽命間的關系式如下：

Δε_ρ•N^K=C

式中：K、C—與材料性質和試驗條件有關的常數(shù)；

Δε_ρ—在一次循環(huán)中的塑性變形；

N—破裂前的循環(huán)次數(shù)。

熱疲勞試驗條件(如熱循環(huán)上下限溫度、熱循環(huán)速度、高溫上下限停留時間和平均溫度)對熱疲勞強度有很大影響。應力集中(如橫截面過渡不均勻，異種材料焊接及兩端固定的導管等)也會引起熱疲勞裂紋和破裂，降低材料的熱疲勞強度。材料的顯微組織在熱循環(huán)中的變化(如鋼的碳化物析出與聚集，晶粒長大和粗化等)都會降低鋼的熱疲勞強度。

4 、松弛性能

耐熱材料在高溫長期應力作用下，其總變形不變，材料所承受的應力隨時間的增長而自發(fā)的逐漸降低的現(xiàn)象稱為應力松弛。在高溫下工作的彈簧、鍋爐與汽輪機的緊固件等都是在承受應力松弛下工作的，必須考慮鋼的松弛穩(wěn)定性。松弛過程一般用松弛曲線表示。

影響應力松弛的因素都與材料的組織結構有關。因此，凡與材料的組織結構有關的因素(如成分、熱處理工藝等)都會影響鋼的應力松弛性能。

應力松弛性能常用應力松弛速率來表示，即用單位時間的應力下降值(給定瞬間的應力松弛曲線的斜率)表示。