耐热钢的高温力学性能

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耐热钢的基本性能是它在高温下的力学性能和耐腐蚀性能，同时还有常温下的力学性能、工艺性能和物理性能等。

耐热钢的高温力学性能主要包括蠕变性能、持久强度、疲劳性能、松弛性能等。

1、蠕变性能

耐热材料的蠕变是指温度高于0.5T熔点下，材料所承受的应力远低于屈服强度的应力时，随着加载时间的持续增加而产生的缓慢塑性变形现象。通常用蠕变曲线来描述材料的蠕变规律。在实践中通常使用条件蠕变极限来测定耐热钢的蠕变性能。条件蠕变极限是指在获得一定变形速率，在规定时间内获得一定总变形量的应力。一般用下列两种方式表示：

1) 以伸长率确定蠕变极限时，用σδτ/τ表示；

2) 以蠕变速率确定蠕变极限时，用σv表示。

在工程实践中常用规定的蠕变速率确定蠕变极限。汽轮机、锅炉设备零部件的工作时间一般规定为105h。用于汽轮机、锅炉设备的耐热钢，其条件蠕变极限的确定是以105h变形为1%时的应力来计算零部件的强度。

2、持久强度

耐热材料的持久强度是指在给定的温度下和规定的时间内断裂时的强度，要求给出的只是此时所能承受的最大应力。持久强度试验不仅反映材料在高温长期应力作用下的断裂应力，而且还表明断裂时的塑性(即持久塑性)。耐热材料零部件在高温下工作的时间长达几百小时，几千小时，甚至几万小时，而持久强度试验不可能进行那么长时间，一般只做一些应力较高而时间较短的试验，然后根据这些试验数据利用外推法，得出更长时间的持久强度值。但外推法所得持久强度值可能与实际值有差距，因此，重要的材料仍需进行长达数万小时的持久强度试验。

耐热材料零部件由于温度波动会加速蠕变过程，降低持久强度。有些耐热钢有缺口敏感性。缺口所造成的应力集中对持久强度的影响决定于试验温度、缺口的几何形状、钢的持久塑性、热处理工艺及钢的成分等因素。

3 、疲劳性能

高温下工作的材料，除经受机械疲劳之外，还经受热疲劳作用。材料经多次反复热应力循环以后导致破坏的过程称为热疲劳。航空发动机涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘及汽轮机叶片等部件经常处于温度急剧交变情况下工作．使材料内部承受交变的热应力，同时伴随着弹性变形的循环，由此引起塑性变形逐渐积累损伤，最后导致材料破坏。由于热疲劳裂纹的形成是塑性娈形逐断积累损伤的结果，因此用塑性变形幅度作为热疲劳过程受载特性，建立起塑性变形幅度与热循环次数间的关系作为耐热材料的热疲劳强度。塑性变形与破裂寿命间的关系式如下：

Δερ•NK=C

式中：K、C—与材料性质和试验条件有关的常数；

Δερ—在一次循环中的塑性变形；

N—破裂前的循环次数。

热疲劳试验条件(如热循环上下限温度、热循环速度、高温上下限停留时间和平均温度)对热疲劳强度有很大影响。应力集中(如横截面过渡不均匀，异种材料焊接及两端固定的导管等)也会引起热疲劳裂纹和破裂，降低材料的热疲劳强度。材料的显微组织在热循环中的变化(如钢的碳化物析出与聚集，晶粒长大和粗化等)都会降低钢的热疲劳强度。

4 、松弛性能

耐热材料在高温长期应力作用下，其总变形不变，材料所承受的应力随时间的增长而自发的逐渐降低的现象称为应力松弛。在高温下工作的弹簧、锅炉与汽轮机的紧固件等都是在承受应力松弛下工作的，必须考虑钢的松弛稳定性。松弛过程一般用松弛曲线表示。

影响应力松弛的因素都与材料的组织结构有关。因此，凡与材料的组织结构有关的因素(如成分、热处理工艺等)都会影响钢的应力松弛性能。

应力松弛性能常用应力松弛速率来表示，即用单位时间的应力下降值(给定瞬间的应力松弛曲线的斜率)表示。