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1、高温下承载材料的机械性能与室温承载材料有很大区别：比如（ 1） 强度降低，在不同温度下进行金属材料的静拉伸试验时，可以发现，随着试验温度的升高，屈服平台消失，而且材料所能承受的 最大载荷也降低。图（ 2） 塑性增大。 在高温条件下，影响材料机械性能的因素增多，不仅温度有影响，应变速度，断裂所需时间也有影响。6.1. 金属材料的蠕变形象6.1.1. 蠕变现象蠕变：金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形。碳素钢超过300350C，合金钢超过 400450C发生蠕变曲线：三个阶段oa 开始部分，加载引起的瞬时变形ab第1阶段，速度大，不稳定阶段，减速阶段，n 1, & 1be第2阶
2、段，稳定阶段，等速阶段n 2， 2cd第3阶段，最后阶段，加速阶段n 3， 3,不能计入元件寿命期。6.1.2. 蠕变曲线的表示方式数学模型，主要表示第一阶段和第二阶段 蠕变条件下蠕变速度随时间变化可用下式来表示 其中 A， n 为外界条件与材料性质的常数第一阶段两种式子第二阶段6.1.3. 金属材料在蠕变中的组织变化6.1.3.1. 滑移整个蠕变过程中，有滑移产生6.1.3.2. 亚晶形成晶粒变形不均匀破裂，形成亚晶6.1.3.3. 晶界形变晶界也参与形变，有时高达 40-50%6.1.4. 金属材料的蠕变理论蠕变是在一定的温度和应力作用下发生的，与原子热运动有关。原子热运动作用大致有两方面
3、：1 ） 是在应力作用下原子直接大量地定向扩散2） 协助受阻位错克服障碍重新运动一方面形变硬化，一方面回复6.1.5. 金属材料的蠕变断裂机理金属材料蠕变断裂分 2 种：晶间和穿晶穿晶：有大量塑性变形，韧性，高应力，低温晶间：塑性变形小，脆性，低应力，高温等强度温度概念两种理论：楔形蠕变裂纹（三晶交界处应力集中，穿晶），空洞形（空洞在三晶交界处汇集，晶间）6.2. 金属材料的高温强度6.2.1. 条件蠕变极限根据不同的需要有 2 种（1）给定温度下，引起规定变形速度的应力值（2）一定工作温度下，在规定时间内，使试件发生一定量总变形时的应力值6.2.2. 高温持久强度在给定温度下，经过一定时间而
4、断裂时所能承受的最大应力。表示材料在温度t经过n而断裂时所能承受的最大应力与蠕变区别：蠕变考虑变形为主，高温持久强度主要考虑材料在长期使用下的破坏抗力。6.3. 蠕变和持久强度的推测方法必须进行长期试验，应用外推方法，可大大缩短时间。外推法：（ 1）总结金属材料试验数据，找出经验关联式，用以外推（2）从微观出发，建立应力，温度和断裂时间的关系式。等温线法：在同一试验温度下，用较高温度应力进行短期试验数据。（加大强度）6.4. 钢的持久塑性是高温条件下工作的重要指标之一。细小碳化物（Mo2C VC）在晶内析出，提高晶内强度，削弱晶界强度，形成低塑性的晶间断裂。影响因素（ 1 ） 合金元素加入硼强
5、化晶界，减小有害元素 S 等（2） 金相组织珠光体 -F 贝氏体 马氏体（ 3 ） 热处理奥氏体化温度d，回火温度a6.5. 影响材料高温强度性能的因素提高材料高温强度关键（1）使在蠕变变形过程中受到阻碍而堆积的位错不容易重新开始运动（2）大力强化晶界，避免晶间开裂6.5.1. 化学成分6.5.1.1. C0.4%高温强度随碳增加而增加不同钢种有最佳值。6.5.1.2. 其它合金元素影响Mo可提高材料高温强度V,Nb,Ti 可强烈形成碳化物，在钢中形成弥散分布的沉淀相，有良好强化效果。P强化晶界（1）每种合金元素的作用与其质量分数不成正比，往往有一最佳值。（2）每种合金元素的质量分数越高，则单
6、位质量分数所引起的作用越小。因而多元素，少质量分数的钢种有良好的高温性能6.5.2. 冶炼方法钢中气体量，晶界处的偏析，夹渣对钢高温性能影响大。减小有害元素，选择适当的冶炼方法6.5.3. 金属材料的组织结构6.5.3.1. 碳化物形状分布片状弥散分布热强性好，球状聚集不好6.5.3.2. 晶粒度常温下， 细晶粒具有高强度高温下细晶则易蠕变， 此时有个最佳值6.5.4. 热处理方法热处理后，在常温下使用，不发生组织变化，可行 而在高温下，不稳定的结构组织将发生变化，使高温性能变坏。6.5.5. 温度波动对钢材高温强度的影响温度对钢和的高温强度影响，主要有 2 方面（1） 温度的波动使实际温度高
7、于规定温度（2） 附加热应力6.6. 金属材料的松驰6.6.1. 金属材料的松驰特性 松驰：金属材料在高温和应力状态下，如果维持总变形量不变，随着时间的延长，应力逐渐降低的现象。 如果总变形量不变，弹性变形转变为塑性变形应力松驰分 2 阶段，第 1 阶段应力随时间急剧降低，第 2 阶段应力下降缓慢并趋向恒定。恒定值为松驰极限。因为松驰极限小，通常不用它来评定材料的抗松驰能力，而用一定时间内，材料中应力的降低值 来表征材料抗松驰性能。松驰稳定系数S0,不考虑初应力，更合理。a6.6.2. 松驰的塑性应变速度低碳钢只与应力有关合金钢在第 1阶段与应力和总应变有关，第 2 阶段，只与应力有关。6.6
8、.3. 再紧固对松驰的影响在动力装置上，常采用法兰螺栓联接，为了保证联接的紧密性，使用一定时间后要再次紧固单纯松驰与再紧固松驰见下图 :6.6.4. 应力松驰与蠕变的关系松驰与蠕变有差别也有联系差别：蠕变是恒定应力下，塑性变形随时间的延长而不断增加的过程；松驰是恒定变形下，应力随时间的延长不断降低过程，此时塑性变形的增加是与弹性变形的减小等量同时发生。联系：本质相同，松驰也可看作是应力不断降低时的多级蠕变。等温线外推法和拉尔森米列尔时间温度参数法（简称拉米参数法）。 21 等温线外推法 1在给定的温度下，应力Z与断裂时间n之间关系的经验公式如下 n= AZ （ 1）两边取对数，可写成lg n=
9、 lg A Big Z （2）式中 A、B 为与温度、材料有关的常数。2)10（1） 10CrMo910钢的持久强度外推持久强度和剩余寿命都可以借助式（ 进行外推。为保证持久强度外推值的准确性，外推时间不得超过试验时间的 倍。经割管做持久强度试验后，所得的试验数据如表 1 所示。式中ZZS为内压折算应力，MPa Pjs计算压力，MPa取Pjs = 9.0MPa Dw管子外径，mmD萨273mmSj为计算管子最小壁厚，mm实测的最小壁厚S=19.7mn，考虑腐蚀减薄因素，取腐蚀减薄量 C=0.5mm则计算的壁厚Sj = S C= 19.7 0.5 = 19.2mm n为基本许用应力的修正系数，对
10、无缝管取n = 1将上述值代入 (4) 式后，得(3) 管道剩余寿命的外推：在式中，只要已知系数B,即可求出一定应力下对应的时间，可以作为测预管道理论寿命的计算方程式。在一定温度下，某种材料系数B是不变的，可以由已知的一定时限(如104、105或2X105小时)的持久强度值求出系数B.将式 (1) 中代入曲线上两点的时间值和持久强度值，并相除、取对数，则可以写成：同理，如采用105小时和2X105小时的持久强度值，则:自然，以式 (7) 求出的 B 值较为精确，预测的理论寿命也较可靠。如果已知设计应力(按扣除壁厚负偏差的管子最小壁厚计算，对主蒸汽直管而言，一般取等于内压折算应力Z zs)，亦可
11、按式(5)写出预测平均理论寿命的方程式:式中n P为在设计应力下预测的平均理论寿命，h； Z zs为管道的设计应力(取 等于内压折算应力)，MPa Z tD (105)为钢材在设计温度下105 h持久强度的 平均值，MPa Z tD (2X 105)为钢材在设计温度下2X 105h持久强度的平均值， MPa。由式(9)知，只要管道的设计应力和钢材在10万小时和2X105小时持久强度值已知，即可以预测其平均理论寿命。根据DIN1715583标准，10CrMo910钢，十万小时持久强度的平均值为 78MPa二十万小时持久强度的平均值为 68MPa n =1.5, Z zs = 59.5MPa将代入
12、式(9)得，tp= 39262 小时。管道的剩余寿命为 200000+ 39262 172073=67190(小时)。2.2 时间温度参数法预测管道的安全使用时间时间温度参数法 2是一种“温度换取时间”的方法。 即通过较高温度下的短期试验来推断在较低的温度下的长期数据。 它把时间温度表示成一个互相补偿的参数:F(n,T) =P(Z )(10)由于参数法的根本特点是在高于工作温度下进行试验，这时曲线转折点出现的时间提前。此时只要将几个试验温度下的试验数据进行统计处理，就可以把转折点包含进去，所以准确度较高，因此参数法得到了广泛的研究和应用。它假定蠕变速度遵循下述方程：由式(13)可知，lg n与
13、1/T有着明显的线性关系，由于E是与常数，激活能Q是应力的函数，令lgE = C,则得到T(C+ lg n ) = P( Z )(14)而P( Z)又可以表示成lg Z的三次多项式，即：P(Z ) =Co + C(lg Z ) + C(lg Z )2 + C(lg Z)3 (15)式中： C0， C1， C2， C3 是常数。对于10CrMo910钢而言，可经过大量的试验，确定上述参数。将Z = 59.5MPa T=537C代入，得n = 261396,则管道还能安全运行的小时数为 261396 172073= 89323(小时)3可靠性的评价方法 可靠性是指部件或系统在预定时间内,完成规定功
14、能的能力,它主要借助概率统计方法解决事物发生中的随机性和不确定性问题。在现有的金属监督和寿 命评价中引入可靠性方法,必然推进金属监督工作的发展。用可靠性的方法对本主蒸汽管的寿命评估步骤如下：3.1 持久强度的统计特性：根据大量测试数据的积累、分析结果表明 3,4 ：材料的力学性能多呈正态分布,部分则呈对数正态分布和威布尔分布。如锅炉承压部件材料的静拉伸屈服 极限Zs、抗拉强度Z b和硬度能较好地符合或近似符合正态分布； 多数材料的延伸率6符合正态分布；材料的疲劳实验数据相当好地符合威布尔分布与对数正 态分布函数的分布规律。有时为了工程应用上的方便,也可认为锅炉承压部件材料的疲劳强度服从正态分布
15、。对于那些不知道分布类型的材料强度,在缺乏大 量统计数据和有代表性样本的情况下,常常假设其服从正态分布,这样可以得到偏安全的结果5,6.因此,本文假定管道的高温持久强度和折算应力均符合正态分布。根据已有的实验数据，按照最小二乘法外推 10CrMo910钢其运行10000小时、30000小时、80000小时的持久强度分别公式(3)计算得到：因为持久强度数据具有不可避免的分散性,为计算方便和安全起见,假设其分散特性符合正态分布,并以上面各数据为各强度分布的均值,即。在考虑持久 强度数据分布在士 20%勺分散带内的基础上，10CrMo910钢再继续运行10000小时、30000小时和80000小时的持久强度偏差分别为:3.2 应力的统计分布：在正常工况下，可以假设应力也服从正态分布。应力的计算，仍采用管道内压折算应力计算公式 (4) 来计算。对于参数 Pjs ，其分布参数的估计可以采用在不同时间的压力数据，就能计算其分布参数。但由于缺乏数据，可参照GB22 8水管锅炉受压元件强度计算
