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蠕变强度

蠕变强度是指材料在某一温度下,经过一定时间后,蠕变量不超过一定限度时的最大允许应力。长期蠕变强度对发电设备等长时间使用的高温结构件来说是最基础、最重要的材料特性。火力发电厂及化工设备等高温结构件的设计,一般参照10万小时持久强度,但在一部分国家中,也进行以20万小时持久强度为基础的设计。因此,为了维持设备的高安全性,精良而确切地把握材料长时间蠕变强度特性是很重要的问题。

长期蠕变强度对发电设备等长时间使用的高温结构件来说是最基础、最重要的材料特性。火力发电厂及化工设备等高温结构件的设计,一般参照10万小时持久强度,但在一部分国家中,也进行以20万小时持久强度为基础的设计。因此,为了维持设备的高安全性,精良而确切地把握材料长时间蠕变强度特性是很重要的问题。

金属材料技术研究所从以上观点出发,对于超过40种实际应用的耐热金属材料,实施了以取得最长到10万小时蠕变断裂数据为目的的蠕变数据计划。已经得到大量长时间蠕变试验数据,以这些数据为基础,进行铁素体系耐热钢长期蠕变强度特性系统解析,分析结果发现了意义很深刻的知识,将它作为基本蠕变强度概念进行了报导。基体蠕变强度不依赖于细微组织形态和延续时间的强度特性。由于第二相的折出,弥散及合金元素的固溶强化或者加工硬化等各种因子而使蠕变强度提高。

但是,在蠕变形成为问题的高温中,因为发生扩散活泼化,材料的细微组织状态不稳定,发生折出相的凝集粗大化等的恢复。所以,依赖于细微组织形态强化因子的效果,随时间的经过而慢慢减少,蠕变强度下降。细微组织只有经过完全回火,经过充分时间的高温、长时间,依赖于细微组织形态的强化因子效果才消失,蠕变强度不依赖于时间的经过而成为固有的强度特性。以上的想法是基体蠕变强度概念,是不依赖于细微组织的稳定强度特性,即基体蠕变强度。

为了通过试验求长时间蠕变强度特性,需要很多的劳力和时间,从短时间的外推,高精度的推测是很困难的事。但是,可以想像从基体蠕变强度概念,确切而且容易的评价长时间蠕变强度特性将成为可能。因此,了解基体蠕变强度支配因子是很重要的问题。作为涉及基体蠕变强度的影响因子,认为有基体强度、晶粒直径、氧化物弥散强化。氧化物弥散强化是关系到极少一部分材料,所以,为了弄清实用材料的基体蠕变强度特性支配因子,着眼于基体强度而研究基体蠕变强度是很重要的问题 [1]

由于氧化使蠕变断裂寿命显著降低的部分数据排除在外。耐热钢的蠕变强度在100MPa以上的应力区,根据钢的不同而有很大差异,如换算成断裂寿命则分散在4位数或4位以上宽的范围内。但断裂强度的分散程度随着应力的下降而减少,在低应力的高温长时间方面,认为所有种类钢的断裂强度换算成断裂寿命,都有收敛在1位数很窄范围内的倾向。根据这个结果,在前面报导中推测的结果是铁素体系耐热钢的基体蠕变强度不论钢种是否不同都是同等程度,另一方面,碳钢蠕变强度特性与耐热钢有很大的不同,认为有以下特征。

1.碳钢的蠕变强度比耐热钢的断裂强度小,其裂寿命短1-2位数。

2.碳钢蠕变断裂强度对应力的依赖性、数据段的梯度,在200MPa以下很宽的范围内几乎是一定的,与耐热钢在低应力、长时间方面表示出的共同断裂强度对应力的依赖性为同等程度。

3.碳钢的蠕变断裂强度,换算成破断裂寿命,分散在一位数范围内。化学成分差别很大的10种耐热钢蠕变断裂强度,与在低应力方面收敛在相同程度范围内相比较,碳钢蠕变裂裂强度分散程度相当大 [2]

试验钢的蠕变断裂数据按炉号的蠕变断裂强度换算成断裂寿命,分散在1位数宽度范围内,分散范围即使是在低应力、长时间方面也没有减少的倾向。但是,对每个炉号钢在蠕变断裂强度上没有大的分散,因此,本试验钢的蠕变断裂强度分散大的问题,起因于蠕变断裂强度的炉号间差别大。

在最低温度673K,随着应力的下降,曲线的梯度单调的增加。但在723K,如果应力低到150MPa以下,曲线的梯度相反减少,呈反S型态。从应力一断裂时间曲线的反S型态可以推测,应力约150MPa以下的723K约超过5000小时,或者773K超过数百小时的长时间方面.蠕变强度降低到本试验用钢的基础蠕变强度。另外,还将关于推测为相当于基础蠕变强度,即应力150MPa。钢的蠕变断裂数据可用Larson-Miller参数整理,特别是推测为蠕变强度在降到基础蠕变强度的低应力区内。应力的对数与Lar-son - Miller参数之间有良好的直线关系。

分析碳钢的蠕变断裂强度特性,在研究微量合金元素对基体蠕变强度影响的同时,与耐热钢蠕变断裂特性相比较而进行了研究并得出以下结论。

1.碳钢的蠕变断裂强度比耐热钢低,换算成断裂寿命,表示出1位数左右那样大的分散。

2.在相当于约150MPa以下低应力区的高温长时间方面,推测碳钢的蠕变强度减少到基体蠕变强度,可以看到应力的对数与Larson- Miller参数间有良好的直线关系。

3.碳钢基体蠕变强度的大小,根据炉号的不同而有很大差异,可认为,评价基体蠕变强度的断裂寿命的对数和微量Mo之间有良好的直线关系。

4.可认为,基体蠕变强度的大小扣蠕变试验前晶粒度之间相互无关。

5.可推测,添加Mo提高碳钢基体蠕变强度的效果,在0. 03mass-左右的微量就饱和,最大限度提高的基体蠕变强度的大小,和耐热钢的高温长时间方面所表示出的蠕变强度是同等程度。

6.可推测,碳的单独添加或Cr,Mn等Mo以外的合金元素与碳的复合添加,也使其全蠕变强度提高。

7.根据以上结果,铁素体钢的基体蠕变强度,受到碳和Mo等合金元素添加而引起的固溶化的控制;可推测,在碳钢中加入0. 03mass-程度微量的Mo,可最大限度的提高基体蠕变强度。另外,耐热钢的所有钢种都有最大限度提高了的基体蠕变强度,因此,可得出在高温长时间方面所有钢种都收敛在相同程度的蠕变断裂强度水平的结论 [3]

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