服務(wù)熱線：橢圓形封頭用金屬材料在高溫下的性能變化
2016年07月06日
滄州五森管道有限公司
在高溫作用下，橢圓形封頭用金屬原子間的自由電子獲得了外界的能量，其活動(dòng)范圍擴(kuò)大，使原子間的“粘結(jié)力”減小，晶格錯(cuò)位容易進(jìn)行，從而使金屬材料的強(qiáng)度下降，而塑性和韌性升高。高溫下材料許用應(yīng)力降低的原因 源于此。
1、橢圓形封頭用材料的蠕變及應(yīng)力松馳
當(dāng)材料的使用溫度超過(guò)其熔點(diǎn)的（0.25~0.35）倍時(shí)，金屬的性能已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)若在外力的作用下，會(huì)出現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象：雖然材料的應(yīng)力不再增加，但其變形卻隨著時(shí)間的增加而繼續(xù)增大，而且出現(xiàn)了不可恢復(fù)的塑性變形。通常把這種現(xiàn)象稱做材料的蠕變。一般情況下，對(duì)碳素鋼來(lái)說(shuō)，考慮蠕變發(fā)生的起始溫度為400℃，對(duì)鉻鉬合金鋼則為450℃。
與蠕變現(xiàn)象相反，當(dāng)橢圓形封頭用材料受高溫和外力的持續(xù)作用時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象：材料的總應(yīng)變量不變，但由于發(fā)生蠕變，使其中部分彈性變形轉(zhuǎn)化成了塑性變形，從而導(dǎo)致彈性應(yīng)力降低，即意味著金屬材料被“放松”了。材料的這種現(xiàn)象稱做應(yīng)力松馳。應(yīng)力松馳實(shí)際上是蠕變發(fā)生的另一種表現(xiàn)形式。高溫下工作的螺栓常因應(yīng)力松馳而導(dǎo)致法蘭泄漏，所以此時(shí)應(yīng)選用抗蠕變能力高的鉻鉬鋼材料作為高溫螺栓材料。對(duì)于加工殘余應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力，由于應(yīng)力松馳而使其減弱或釋放，從而可減緩或消除它們帶來(lái)的不利影響。
2、橢圓形封頭用材料的球化和石墨化
在高溫作用下，碳鋼中的滲碳體由于獲得能量而將發(fā)生遷移和聚集，形成晶粒粗大的滲碳體并夾在鐵素體內(nèi)，尤其是對(duì)于珠光體碳鋼，其滲碳體會(huì)由片狀逐漸轉(zhuǎn)變成球狀。這種現(xiàn)象稱為材料的球化。球化的結(jié)果使得橢圓形封頭用材料的抗蠕變能力和持久強(qiáng)度下降，而塑性增加。一般情況下，碳鋼長(zhǎng)期處于450℃以上溫度環(huán)境時(shí)， 有明顯的球化現(xiàn)象。
對(duì)于碳鋼和一些低合金鋼，在高溫作用下，其組織中會(huì)出現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象：其過(guò)飽和的碳原子發(fā)生遷移和聚集，并轉(zhuǎn)化為石墨（石墨為游離的碳原子）。由于石墨強(qiáng)度極低，并以片狀存在于珠光體內(nèi)，將使材料的強(qiáng)度大大降低，而脆性增加。這種現(xiàn)象稱為材料的石墨化。一般情況下，碳鋼長(zhǎng)期處于425℃以上溫度環(huán)境時(shí)， 有石墨化發(fā)生，而在475℃以上時(shí)則明顯出現(xiàn)。為 起見(jiàn)，SH3059標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，碳鋼的 使用溫度為425℃，而GB150規(guī)范則規(guī)定其 使用溫度為450℃。
通常，珠光體鋼的球化先于石墨化發(fā)生，當(dāng)發(fā)現(xiàn)材料中有石墨析出時(shí)，球化過(guò)程已經(jīng)過(guò)去。一般認(rèn)為，石墨化是某些鋼球化的繼續(xù)和發(fā)展。
3、橢圓形封頭用材料的高溫氧化
金屬材料處于高溫和氧化性介質(zhì)（如空氣）的環(huán)境中時(shí)，將會(huì)被氧化。氧化產(chǎn)物為疏松的非金屬物質(zhì)，容易脫落，故有時(shí)也稱其金屬的氧化為脫皮。以碳鋼為例，當(dāng)它處于570℃的空氣中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生FeO+Fe3O4+Fe2O3氧化皮，該氧化皮很容易脫落而使金屬減薄，故不受力的碳鋼一般也應(yīng)限制在560℃以下工作。橢圓形封頭常用材料的抗氧化極限溫度列于表3-1。一般情況下，壓力管道都不會(huì)以材料的抗氧化極限溫度作為使用限制，只有在很 殊的情況下（如燒焦時(shí)）才可能這樣做。
表3-1 常用金屬材料的抗氧化極限溫度
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鋼 材 牌 號(hào)
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抗 氧 化 極 限 溫 度 ℃
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碳素鋼
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≤560
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12CrMo
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≤590
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15CrMo
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≤590
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1Cr5Mo
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≤650
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0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2
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≤850
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0Cr25Ni20
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≤1100
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