耐熱金屬材料機械性能的影響因素分析

馬曉藝（青海大學 機械工程學院，青海 西寧 810016）

耐熱金屬材料應用的范圍非常廣泛，比如在化工、電力、石油、航空以及冶金等行業(yè)當中都會涉及應用到，因此這些材料通常會在溫度較高的環(huán)境下進行工作，所以就必須要使用耐熱性較好的金屬材料.如果從耐熱金屬材料所使用的環(huán)境觀察，其性能主要包括在兩個方面，也就是它的高溫強度以及它的化學穩(wěn)定性能.但是，如果要是針對耐熱金屬材料，就必須要認真的分析研究它主要的影響因素，再根據(jù)具體原因采用相應的解決措施，從而提高金屬材料的性能.耐熱材料指的是具有蠕變變形小、斷裂強度高等特點，同時在正常的使用過程中必須要具有一定的穩(wěn)定性.然而在使用耐熱材料的一些設備時，其設計概念卻產(chǎn)生了一定的變化，曾經(jīng)把堅決不破壞的設計思想是作為一個安全壽命進行設計的，從思想上主要是以安全設計以及允許損傷設計進行轉(zhuǎn)變的.所謂運行安全設計指的是當局部材料出現(xiàn)破損時，其余下的部分仍然可以承受起破損部位的應力，而不會導致全部的零件出現(xiàn)破損情況，而設計允許損傷時主要是通過假設情況下出現(xiàn)裂紋，而當裂紋在擴展期間內(nèi)的設備則仍然可以繼續(xù)使用，對此，基于這種思想變化，對于開發(fā)者在設計考慮方法時就必須要做相應的轉(zhuǎn)變，也就是要從一種材料的耐高溫度以及對它蠕變的強度極限選擇材料，找對方向.在不同的溫度下是否可以進行長期間的使用，以及在高溫度的材料上是否可以提高溫度，這些都會促使特性的劣化，而在材料的選擇上也會有所轉(zhuǎn)變.從另一種角度上來看，選擇材料的余地也就更加廣泛了.

1 耐熱金屬材料的性能特點

一般耐熱的金屬材料通常是與能源相關的條件下相互作用的，主要可以分成兩種，（1）有動作機械部件，也就是透平噴氣發(fā)動機可以對其使用離心力的部件.它的具體要求就是必須要具有蠕變性能以及抗氧化的性能.（2）另一種就是在靜止狀態(tài)下所應用的部件，例如有噴咀、材料電池電解質(zhì)、透平葉片、人造衛(wèi)星使用的熱防護板等，但是如果根據(jù)卡諾循環(huán)基理觀察，如果是有關能源的使用材料其溫度越高，它的使用效率也會越高，當應用棱聚變能的狀態(tài)時，如果所使用的溫度過高時，其要求也會越高.此外，如果要更好的使用自然能源，在各方面的要求上也會更為嚴格，如果要使用復合材料，也就是這種耐熱結(jié)構的材料.它的燃料電池在發(fā)電方法上也是沒有公害的，所以會得到廣泛的應用.通常情況下，如果金屬材料在一定的室溫下，其變形以及塑性主要是根據(jù)位錯運動實現(xiàn)的，一般晶界的強調(diào)會很高，所以當位錯運動時它就會具有很大阻力，因此，在室溫下的晶粒出現(xiàn)越細時，而它的強度則會越高.如果在高溫強度下，它會隨溫度的變化，越來越高，而晶界則會出現(xiàn)明顯的下降趨勢，對此，材料的強度也會逐漸的下降.如果晶內(nèi)的強度再和晶界強度出現(xiàn)等同時，其金屬材料在強度方面則會由晶界的強度進行決定了，而這時的溫度也就稱作為等強溫度.由此我們也得出，當溫度隨著不斷升高時，其金屬出現(xiàn)斷裂的方法主要是通過穿晶斷裂再轉(zhuǎn)為晶間斷裂，如果晶界越多，而產(chǎn)生斷裂的可能性則會越大，其強度則會很低.當溫度隨著不斷升高時，它的失效形式以及變形行為再同室溫作比較時則會具有一定的區(qū)別，其表現(xiàn)特征就在于它的蠕變現(xiàn)象、持久強度以及應力的松馳度等方面，通過以上幾個方面則是影響金屬材料的重要因素.

2 影響蠕變極限的主要因素

2.1 影響耐熱金屬材料的原因會有很多種，由于機械的零部件一般是在高溫條件下進行工作的，所以這就要求材料的機械性能非常高，必須要具有一定的沖擊韌性，很好的加工性，足夠的強度，以及良好的焊接性等特點.但是，如果是針對耐熱的金屬材料講，它的熱強性會對它的機械性起到非常關鍵的一方面作用.通常情況下，一般耐熱的金屬材料如果是在高溫下，它的疲勞強度、屈服強度以及在硬度等方面都會低于常溫下的材料.它也會影響到金屬材料的熱強性，而最為重要的一個因素則是蠕變的極限問題.所謂蠕變極限所指的就是在高溫的極限下，它會引起金屬材料的變形，以及影響它的速度應力.如果把試樣進行加溫到一定程度的溫度時，并加載相應的荷載，在一段時間后則可以得到一定的伸長率曲線.一般耐熱的金屬材料，它的蠕變是不能夠避免的，比如碳鋼，如果它的溫度是在40度以上時，則會出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象.此外，如果長時間受到高溫影響的金屬零部件，像鍋爐爐管等部件，它會因為蠕變而產(chǎn)生一定的影響，其爐管的管徑則會增大，而管壁也會變的越來越薄，從而導致爐管發(fā)生爆破.所以，在耐熱金屬材料上面，它的蠕變性以及它的熱強性則是造成金屬材料機械性能的重要因素，也由此可見，金屬材料應具有一定的抗蠕變性以及高熱強性等特點.

2.2 通過實踐研究分析所得出，具有很高含量材料的鉻與鎳來說.其耐熱金屬材料則是具有很高強度的蠕變性，所以這種材料也具有良好耐高溫特點，并且可以在長期的高溫下進行作業(yè).由于鎳具有很高的含量，所以它也具有很好的耐氧化性以及耐腐蝕和耐高溫性等特點.當提高了碳含量以后，并且在固溶強化的作用下也會促使它的強度有所提高，而耐熱金屬材料也可以把含有鎳、鉻作為一項基礎化學成分，并且適量的摻入到鉬、鈮以及鎢、鈦的元素當中，由于一般的金屬材料其組織是以面心作為立方結(jié)構的，所以在一定高溫下，其金屬材料還會具有一定的蠕變強度.

3 影響金屬材料性能的主要因素

焊條作為影響金屬材料性能的一個重要的因素，由于金屬材料主要是長期處于高溫下進行作業(yè)的，所以它必須要保證其材料具有耐高溫的特點，也必須要在材料當中摻入其它的元素.如果當母材當中的化學成份和焊縫材料存在很大的相差時，而材料在高溫下進行工作時，則會出現(xiàn)在金屬的接頭位置造成一些元素出現(xiàn)擴散的問題從而也就導致了材料的機械性能所有降低.所以，在選擇金屬材料進行在進行焊接時，必須可以保證它的焊縫性能達到標準要求.所以，只有確保耐熱金屬材料具有良好的機械性能時，其焊縫的金屬成分必須要和母材料保持一致.此外，在焊條當中焊接工藝與一些元素的含量都會直接影響到焊接后的性能問題.但是，如果是對所需焊接的材料來講，則必須要加強提高焊縫材料應具有的抗熱裂性能，也應控制好其碳的標準含量，通常對焊縫的要求是其碳的含量必須要小于母材碳的含量.

4 重要的化學因素作用

所謂耐熱金屬材料，在其內(nèi)部的元素會對它的機械性有非常重要的一些因素.通常情況下，由于耐熱金屬材料會長期在高溫下進行作業(yè)，所以如果要保證其材料具有一定的高溫性能，就必須要摻入一些重要的元素.就比如說可以在材料當中加入適量的鉬，并且可以有效的促使晶粒達到細化的目的，進而也提高了金屬材料的熱強性以及淬透性，同時在高溫下可以持續(xù)達到足夠的強度也具有抗蠕變的能力等.此外，如果在金屬材料當中加入適量的鉬，它可以提升材料的機械性能，同時也能夠抵抗因高溫所引發(fā)材料的脆性.如果在材料當中加入一定量的鋁元素，也可以促使在金屬材料當中的晶粒充分的細化，從而提升它的沖擊韌性.而鋁這種元素是具有一定的抗氧化眭和良好的抗腐蝕性，所以可以在耐熱金屬材料當中適量的摻入鋁元素，從而可以在高溫條件下其材料不會發(fā)生起皮的現(xiàn)象，同時也具有抗高溫的腐蝕性能.另一方面，由于化學元素可以有效的提高金屬材料機械性能，同時也有一些化學元素會影響到材料本身的機械性能.以下兩種元素的影響會較為明顯：（1）在耐熱金屬材料當中，硫和磷均屬于有害的元素，它們會降低金屬材料的塑性，同時也會影響到其材料焊接的性能.（2）而對于錳這種元素，如果應用在金屬材料當中它會出現(xiàn)脫氧劑的反應，一方面它可以加強材料的硬度以及強度，也可以從一定程度上改善金屬材料所具有的熱加工性能.然而，錳含量隨著不斷的增加，它就是降低金屬材料的抗腐蝕能力，而它的焊接性能也會有所降低.

5 加強提高機械性能的方法

通過對幾種耐熱金屬材料的影響度進行觀察，在這其中，由于細化晶粒通過在一定的溫度下可以加強改善金屬材料的性能，這也是比較好的一種方法，然而這種方法不適用于高溫的金屬材料.因此，如果是在溫度較高下進行工作，其材料可以通過應用以下方式進行提高.

5.1 如果耐熱金屬材料它的晶粒越細，其發(fā)生蠕變就會越加明顯，但是粗晶的發(fā)生蠕變的速度則會很低.所以，一旦在金屬材料當中摻入一定量的堿土金屬，它就會生成相對穩(wěn)定并且難熔的化合物，從而達到凈化的目的.

5.2 由于耐熱金屬材料它的機械性能主要取決原子間重要的結(jié)合力，如果原子的排列相對比較緊密，而它的機械性能則會非常高.

6 結(jié)論

本文主要根據(jù)實踐經(jīng)驗進行研究分析，對金屬材料的機械性能所產(chǎn)生的影響一般具有幾方面的重要因素，例如，蠕變極限、焊接工藝、在金屬材料當中所產(chǎn)生的化學成分等，所以通過對這些因素的分析，提出了相應的解決措施，希望能為同行進行參考.

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