长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化
金属材料在高温环境下的形变与损伤研究
金属材料在高温环境下的形变与损伤研究近年来，随着科技的不断进步，人类对于金属材料在高温环境下的行为与损伤机理的研究越来越深入。
这项研究在航空航天、能源、汽车等领域具有非常重要的应用价值。
一般来说，高温环境下金属材料的形变和损伤主要表现为以下几个方面。
首先是拉伸性质的变化。
金属材料在高温环境下，其抗拉强度、屈服强度、塑性和延伸性等机械性能会随着温度的升高而下降。
这是因为高温会使材料的晶格结构发生变化，热膨胀系数增大，材料的原子和离子的能量随时在相互变化，而后者最主要地表现为在高温和其他应力条件下发生的晶格滑移、断裂等形变劣化机制。
其次是疲劳性能的恶化。
许多金属材料在高温环境下和疲劳负荷作用下很难长期保持固定的力学性能，因此疲劳强度、容忍度和寿命都会受到明显的影响。
再次是高温环境下引起材料氧化、腐蚀和熔化等化学反应。
这些反应会直接影响材料的物理和力学性质，因此对于这些损伤机制的研究非常重要。
最后是材料的微观结构的变化。
高温环境下，金属材料的晶体粒度大小、界面能量等微观特性会发生变化，从而影响材料的力学性能。
针对以上几个变化方面，目前的研究主要集中在以下几个方面。
首先是金属材料在高温下的力学性能和微观特性的表征。
通过一系列实验方法如拉伸、扭曲、压缩等来测试材料的力学性能，从而研究材料的形变规律，这些实验数据通常需要借助复杂的数学模型进行处理和分析，求得材料的力学性能指标。
其次是针对金属材料在高温环境下的腐蚀、氧化等问题的研究。
主要是通过一系列化学分析手段来表征材料的表面腐蚀等现象，了解材料在高温环境下不同元素对金属材料的损伤机理。
最后是关注金属材料的微观结构和物理性质变化。
主要是采用高分辨电镜、X 射线衍射以及近代材料计算力学和材料学等多种先进技术，加深对材料界面能量和晶体弹性、塑性变形、微观断裂和晶间疏松等微观特性的认识，在损伤破坏的基础上设计新型材料。
总的来说，金属材料在高温环境下的形变与损伤研究是一个非常复杂和系统的工程，需要结合多个学科的知识与技术手段来进行。
高温高压下的材料相变行为
高温高压下的材料相变行为在科学研究和工业生产中，高温高压条件下的材料相变行为一直备受关注。
相变是物质由一种状态转变为另一种状态的过程，而在高温高压条件下，材料的相变行为可能具有一些特殊的特征。
首先，高温高压下的材料相变行为可能是由于热力学效应的影响导致的。
在高温高压条件下，材料的晶格结构会发生变化，原子之间的距离和排列形式也会发生变化。
这种结构的变化可能会导致材料的物理和化学性质发生明显的变化。
例如，高温高压下的钢材可能会发生相变，从而改变其强度和硬度。
其次，高温高压下的材料相变行为可能是由于热运动的影响导致的。
在高温高压条件下，材料中的分子和原子会出现更加剧烈的热运动，这可能会导致材料的相变。
例如，水在高温高压条件下可能会发生相变，从液态变为气态或固态。
这种相变可能会导致水分子之间的相互作用发生变化，从而影响水的物理和化学性质。
另外，高温高压下的材料相变行为可能还与材料的结构和组成有关。
不同的材料在高温高压条件下可能会表现出不同的相变行为，这与材料的晶体结构、晶格常数以及元素组成有关。
例如，一些金属在高温高压条件下可能会发生相变，从面心立方结构转变为体心立方结构，这种相变可能会导致材料的性能发生变化。
此外，高温高压下的材料相变行为还可能与材料的应变和变形有关。
在高温高压条件下，材料可能会受到外部力的作用，导致材料的形状发生变化。
这种应变和变形可能会引起材料的相变行为，从而影响材料的物理和化学性质。
例如，高温高压下的陶瓷材料可能会发生相变，从而改变其机械性能和导电性能。
总的来说，高温高压下的材料相变行为是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。
研究高温高压下的材料相变行为不仅可以增加对材料性质的理解，还有助于开发新的材料和改进生产工艺。
希望未来能够通过深入研究和实验验证，更好地揭示高温高压下材料相变行为的机制和规律，为材料科学和工程技术的发展做出更大的贡献。
机械设备维修简答题
1.机械设备老化可分为哪两种形式的老化? 两种形式的老化又可分为那些类型.答：（1）、有形老化·①第I种有形老化一表现为零部件原始尺寸,配合精度,形状发生变化或破坏等，与使用时间和强度有关。
②第II种有形老化一一在自然力作用下发生老化, 与因置时问与保存状态有关。
（2）、无形老化:①第I种无形者化一科技进步, 生产工艺改进，再生此机械设各成本降低, 使原有机械贬f直的现象. ②第II种无形老化一新型机械设各出现，使原有机械产生经济老化的相对贬值的现象。
2。
简述者化的起因、規律及如何补偿。
故障产生的主要原因有那些？答：（1)起因:无形老化一科技进步。
有形老化一①周国介质能量的作用②机械内部机械能的作用。
③在制造中聚集在机械零件内部潛伏作用的能量。
(2 ）规律: ①零件寿命的不平衡性和分散性；②机械设各寿命的地区性和递減性；③机械设备性能和效率的地減性;④材料性状的不可逆性（3)补性:维修、更換、更新和改善性修理（4）故障产生的主要原因：产品设计方案不完善;制造材料或者工艺选用不符合要求;装配质量不达标；机械维修不合理·未正确使用,超负荷超速工作或者未按要求保养等。
3.评定维修性的指标有那些？简述提高维修性的主要途径。
答: (1）、评定指标：结修度；延续时问指标；工时指标；重住修频率指标;维修费用指标;有效度。
（2)提高维修的主要途径:简化结构，使于拆装;提高可达性;保证维修操作安全;按规定使用和维修；部件和联接件易拆易装;零部件的无维修设计。
4。
引起机械零件失效及耗损的主要形式有那些？答: （l）失效形式：磨损失效、断裂失效、变形失效和腐蚀与气蚀失效。
(2）耗损形式:组织结构及性能的损坏；尺寸、形状及表面质量的变化。
5.摩標按表面状态分为那儿种类型？形成充分的液体动压润滑的必要条件有那些? 人类对摩擦的机理的认识经历了那几个不同的理论解释阶段。
答: （1）干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦（半干摩擦和半液体摩擦)等。
长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化
长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化
首先，金属材料的晶粒会发生长大。
在高温条件下，晶体的原子具有
较高的活动性，原子迁移速度加快，导致晶粒的尺寸逐渐增大。
晶粒的长
大会导致材料的晶界长度减少，晶界的总能量减小，从而提高材料的强度
和韧性。
其次，金属材料的晶界和晶界相会发生变化。
晶界是相邻晶粒之间的
界面，由于晶粒的长大，晶界的总面积减小，这有助于提高材料的力学性能。
同时，在高温条件下，晶界相可能会出现形变和相变。
形变晶界会导
致晶界的变脆和断裂，而相变会导致晶界相在晶界周围形成固相润滑层，
从而减小晶界摩擦，提高材料的抗磨性能。
此外，金属材料的相组成也会有所变化。
在高温条件下，固溶体中的
合金元素可能会发生扩散，从而改变材料的化学组成。
这些化学组成变化
会影响材料的力学性能，如硬度、强度和韧性等。
最后，金属材料的力学性能会发生变化。
在高温条件下，材料的热膨
胀系数增大，导致热膨胀变形增加。
另外，高温会降低材料的强度和硬度，但提高了材料的塑性和韧性。
因此，在高温条件下，金属材料更容易发生
塑性变形和热蠕变。
综上所述，在高温条件下，金属材料的组织结构和性能会发生一系列
变化，主要涉及晶粒、晶界、相组成和力学性能等方面。
这些变化对材料
的性能有着重要影响，了解和研究这些变化对工程应用具有重要意义。
金属材料知识
金属材料知识概述承压设备制造是国民经济的基础产业，各种生产工艺的要求各不尽相同，如：压力从真空到高压甚至超高压、温度从低温到高温以及腐蚀性、易燃、易爆物料等，使得设备处在极其复杂的操作条件下运行。
由于不同的生产条件对设备材料有不同的要求，因此，合理的选用材料是设计承压设备的关键环节。
例如：对于高温容器，由于钢材在高温的长期作用下，材料的力学性能和金属组织都会发生明显的变化，加之承受一定的工作压力，因此在选材时必须考虑到材料的强度及高温条件下组织的稳定性。
容器内部盛装的介质大多具有一定的腐蚀性，因此需要考虑材料的耐腐蚀情况。
对于频繁开、停车的设备或可能受到冲击载荷作用的设备，还要考虑材料的疲劳等。
而低温条件下操作的设备，则需要考虑材料低温下的脆性断裂问题。
一、金属材料的分类二、金属材料的性能三、影响材料性能的因素四、特种设备对材料的要求五、特种设备常用材料标准一、金属材料分类黑色金属：铁和铁的合金均称为黑色金属纯铁：化学纯铁含碳量几乎为零，工业纯铁含碳量<0.05%。
纯铁是很软的，一般不应用到实际中。
铁碳合金：以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。
生铁：把铁矿石放到高炉中冶炼而成的，含碳量2％～4.3％（也有资料称3.5%—5.5%、2.11%-6.67%）的铁碳合金称为生铁。
生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加工成形，主要用来炼钢和制造铸件，如白口铁、灰口铁和球墨铸铁。
也有习惯上把炼钢生铁叫做生铁，把铸造生铁简称为铸铁。
钢：含碳量在0.04%-2.3%之间（也有资料称0.03%-1.2%）的铁碳合金称为钢。
为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。
钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。
有色金属：除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝等。
金属材料分类（钢材）1、按化学成分分类：①碳素钢：简称碳钢。
除铁、碳外主要含有少量Si、Mn及P、S等杂质，这些总含量不超过2%，按含碳量不同分为：低碳钢——含碳量小于0.25%中碳钢——含碳量等于0.25%～0.6%高碳钢——含碳量大于0.6%②合金钢：除碳钢所含元素外，还含有其它一些合金元素：如Cr、Ni、Mo、W、V、B等，按合金元素含量不同分类：低合金钢——合金元素含量小于5%中合金钢——合金元素含量等于5%～10%高合金钢——合金元素含量大于10%金属材料分类（钢材）2、按用途分类：①建筑工程用钢或构件用钢①普通碳素结构钢②低合金结构钢③钢筋用钢等②结构钢机器零件用钢调质结构钢表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢易切削结构钢冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。
材料的高温力学性能
石油化工－－合成氨，炼油，乙烯
2020/5/4
化工设备的一些高温高压管 道，虽然所承受的应力小于 该工作温度下材料的屈服强 度但在长期的使用过程中会 产生缓慢而连续的塑性变形 (蠕变)，使管径逐渐增大， 最后导致管道破裂。
燃气涡轮发动机
涡轮盘及叶片
2020/5/4
高温下钢的抗拉强度随载荷 持续时间的增长而降低。试验表 明，20＃钢450℃时短时抗拉强度 为320MPa，当试样承受225MPa 的应力时，持续300小时断裂；如 将应力降低到115MPa，持续1000 0小时也会断裂。在高温短时载荷 作用下，材料的塑性增加，但在 高温长时载荷作用下，塑性却显 著降低，缺口敏感性增加，呈现 脆性断裂现象。此外，温度和时 间的联合作用还影响材料的断裂 路径。
空洞、微裂纹的形核，长大
δ0
伸长率δ
温度t＝常数 应力σ＝常数
d c
b
Ⅱ aⅠ
O
Ⅲ
时间τ
图7－1 典型的蠕变曲线
2020/5/4
• 蠕变变形是通过位错滑移、位错攀移等方 式实现的。
• 在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产 生塞积现象，滑移便不能进行。
• 在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可 能使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成 小角度亚晶界（此即高温回复阶段的多边 化），从而导致金属材料的软化，使滑移 继续进行。
2020/5/4
• （3） 晶界的滑动蠕变机理：晶界的滑动是由 晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起的， 后者起主要的作用。金属、陶瓷材料。在常温 下晶界的滑动变形是极不明显的，可以忽略不 计。但在高温条件下，由于晶界上的原子容易 扩散，受力后易产生滑动，促进了蠕变的进行。 随温度升高，应力降低，晶粒度减小，晶界滑 动对蠕变的作用越来越大。但总的来说，它在 总蠕变量中所占的比例并不大，约10％。
耐热钢和耐蚀钢
第六章 耐热钢和耐蚀钢石油化工行业中由于材料经常在较高温度和有一定的腐蚀介质的环境下工作，所以常常使用耐热钢和耐蚀钢来制造。
第一节 耐热钢我们把能够在高温下工作的钢叫做耐热钢。
从耐热钢的工作环境来看，耐热钢应该具有两方面的性能，即高温化学稳定性和高温强度。
这样我们把在高温下能长期工作不致因介质侵蚀而破坏的钢叫做热稳定钢（抗氧化钢或耐热不起皮钢）；在高温下仍具有足够的强度不会大量变形或破断的钢叫做热强钢，热强钢在具有高温强度的同时又应具有抗氧化性。
一、对耐热钢的性能要求（一）金属的抗氧化性1、金属的氧化过程金属在高温下工作，最容易被氧化。
氧化是一种典型的化学腐蚀，具有化学腐蚀的一系列特征。
它是介质直接与金属接触而发生的化学反应。
在高温下，当O2、CO2、H2O及H2气体与纯净的钢的表面接触时，介质的分子首先被吸附在金属的表面并分解成原子，然后发生介质原子与金属原子的化合作用，首先是使钢脱碳，随后发生铁的氧化反应，其反应可用下列反应式表示：M + X ⇔ MX式中M表示金属原子，X表示非金属介质原子。
反应生成了相应的腐蚀产物，腐蚀产物根据其特点可以分为以下几类。
1）腐蚀产物是可挥发的气体，或者腐蚀产物是结构非常疏松的固态物质留在金属的表面。
这时，介质可以继续保持与金属表面的接触，使得腐蚀可以继续进行。
2）腐蚀产物是结构比较致密的固态物质，同时腐蚀产物可以完整地覆盖在金属的表面。
这样要使氧化过程能继续进行，金属离子和氧原子需要扩散通过腐蚀产物形成的覆盖层后才能发生反应，同时生成的产物使得覆盖层进一步增厚。
随着覆盖层的增厚，扩散越来越难于进行，氧化反应的速度也越慢。
这种覆盖层能够减慢氧化甚至阻碍氧化的进行，我们称为保护膜。
2、保护膜的性质与氧化速度金属的氧化速度与保护膜的性质有着密切的关系，我们把保护膜分为下面两类。
1）通过保护膜原子或离子可以继续扩散，随着保护膜的增厚，氧化速度是随时间变化的。
其氧化速度可表示为：dy dt k y y kt A //==+或者为2属于这类的金属有Fe、Co、Cu、Ni、Mn、Zr。
第四章长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化P
第四章长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化P在高温条件下，金属材料的组织结构和性能会发生一系列的变化。
这些变化一方面会对材料的力学性能产生影响，另一方面还会对材料的耐热性能、抗蠕变性等产生影响。
下面我们将详细探讨在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化。
一、晶粒长大与晶界形成当金属材料在高温下加热时，物质的扩散速率会加快，晶界的迁移也会促进晶粒的长大。
晶粒的长大过程中，大晶粒会吞噬小晶粒，使得材料整体晶粒尺寸增大。
这一过程被称为晶粒长大，是高温条件下材料结构变化的重要方面。
晶界的形成也是在高温条件下发生的。
晶界是指晶粒之间的界面区域，由于晶界具有高能状态，因此晶界对材料的性能有着重要影响。
在高温条件下，材料中的原子和离子会以较高的速率迁移，晶界也会发生迁移，从而形成新的晶界。
这些新形成的晶界可能会对材料的电导性、热导性等性能产生影响。
二、晶体结构的变化在高温条件下，金属材料的晶体结构也可能会发生变化。
正常晶体结构可能会由于高温和热应力的作用而发生相变，转变为其他晶体结构。
晶体结构的改变会对材料的性能产生一系列的影响。
三、相分离与相变在高温条件下，一些材料可能会发生相分离现象。
相分离是指在材料中不同成分的原子或离子会因为热运动而聚集在一起，形成相互分离的区域。
这种相分离现象一方面会改变材料的组织结构，另一方面还会对材料的性能产生影响。
相变也是深受高温影响的重要现象。
相变是指材料在温度变化过程中，由于热力学上的平衡要求而发生的物态变化。
一些材料在高温下可能会发生相变，形成新的晶体结构。
这种相变会改变材料的组织结构，从而对材料的性能产生影响。
总之，在高温条件下，金属材料的组织结构和性能会发生一系列的变化。
这些变化可能包括晶粒长大、晶界形成、晶体结构的变化、相分离和相变等。
这些变化对材料的力学性能、耐热性能和抗蠕变性等都会产生影响。
因此，在材料的设计和应用中，必须考虑和充分理解高温条件下材料组织结构与性能的变化，以便选择适合的材料和工艺，并做好相应的应用和性能评估。
金属材料的组织结构与性能分析
金属材料的组织结构与性能分析1.引言金属材料是一种常见的工程材料，广泛应用于各个领域。
金属材料的组织结构对其性能具有重要影响。
本文将从晶体结构、晶粒结构和缺陷结构三个方面来分析金属材料的组织结构与性能。
2.晶体结构对金属材料性能的影响2.1面心立方（FCC）结构FCC结构的金属材料在空间中具有紧密堆积的密排结构，因此具有良好的塑性和延展性。
典型的FCC结构材料包括铝、铜和银等。
这些金属材料的晶体结构使其具有良好的机械性能和导电性能。
2.2体心立方（BCC）结构BCC结构的金属材料的原子布局呈立方形，中心原子会被其他原子所包围。
BCC结构的金属材料具有良好的韧性和强度。
典型的BCC结构材料包括铁、钢和钨等。
这些金属材料因其晶体结构的特性，因此在高温和高应力环境下表现出优异的性能。
2.3密排六方（HCP）结构HCP结构的金属材料在三轴方向上没有相同的近邻，使其具有良好的蠕变性能。
典型的HCP结构材料包括钛、锆和镁等。
这些金属材料因其晶体结构的特点，在高温和高压环境下表现出优异的性能。
3.晶粒结构对金属材料性能的影响3.1晶粒尺寸晶粒尺寸是指晶体中一个晶粒的大小。
晶粒尺寸的减小会提高金属材料的强度和硬度，但会降低其韧性。
这是因为小尺寸的晶粒会限制晶界的运动和位错的运动。
3.2晶粒定向性晶粒定向性是指晶粒中晶体的取向关系。
晶粒定向性的提高可以增加金属材料的力学性能。
例如，陶瓷涂层中通过控制晶粒的定向性可以提高其耐磨性能。
4.缺陷结构对金属材料性能的影响金属材料中存在各种缺陷结构，不同的缺陷结构对金属材料的性能有着不同的影响。
4.1晶界晶界是相邻晶粒之间的界面。
晶界的存在会限制晶体的运动，并对金属材料的塑性和强度产生影响。
4.2位错位错是晶体中的一个原子或多个原子的错位。
位错的运动会导致金属材料的形变，从而影响其塑性和强度。
5.结论。
金属材料强度与温度的关系
450℃
50 应变ε %
60
70
金属材料的高温强度
6
由于应变速率的这种影响，为了使高温短时拉伸试验的结 果能相互比较，其试验时间必须统一规定。
各国在试验标准中都对此作出了严格的要求
T 0 .02 % 0 .2 :
T :每格 0 . 001 mm 0 . 01
T 0 % .2 : 0.01
金属材料的强度预温度的关系
金属材料的高温强度
1
内
1.
容
金属材料在高温下的力学行为特点
蠕变 表征材料高温力学性能的强度指标
2.
3.
4.
高温强度的影响因素
金属材料的高温强度
2
1.金属材料在高温下的力学行为特点
由于高温下原子扩散能力的增大，材料中空位数 量的增多以及晶界滑移系的改变或增加，使得材 料的高温强度与室温强度有很大的不同。
蠕变是一个包含许多过程的复杂现象。比起室温下的 力学性能来材料的蠕变性能对组织结构的变化更为敏 感。 所以蠕变曲线的形状往往随着材料的组织状态以及蠕 变过程中所发生的组织结构变化的不同而不相同。
例如在高温下会发生相变的某些合金（如Fe－20.5％W，Ni－ 25.5％Mo等），即使在承受拉伸载荷时，也会由于相变时的 体积变化而使试件收缩，形成所谓的“负蠕变现象”。
1
最小蠕变速度,%/h
0.1
0.01
0.001 600 700 800 温度,℃ 900 1000
金属材料的元素原子自扩散系数较小， 因此Ge、Si具有较高的高温强度。 除晶体结构对原子自扩散能力有影响外， 反映原子结合能力的金属熔点对扩散也有 很大影响。
力学性能试验：蠕变试验是什么
力学性能试验：蠕变试验是什么所谓蠕变，就是指金属材料在恒温、x恒载荷的长期作用下缓慢的产生塑性变形的现象。
在高温条件下，蠕变对构件产生的影响十分显著。
严格来说，任何温度下金属材料都可能产生蠕变，但低温时并不明显，因此可以忽略不计；但当约比温度>0.3的时候，蠕变效应将比较明显，此时就必须考虑蠕变的影响。
蠕变试验的研究意义目前在石油化工、能源、医药、冶金等行业中，高温及腐烛性较强的产品非常普遍，由此对承载构件的安全可靠性就提出了更高的要求。
这些承载构件的意外破坏将可能会导致灾难性的后果和重大的经济损失。
调查发现，大多数高温环境承载构件的失效是由高温、高压作用引起的高温蠕变所致。
不同金属材料的组织、化学成分和热物理性能都存在着较大的差异，因此其蠕变性能的高低也不尽相同。
例如，低合金钢和不锈钢之间的蠕变性能就存在很大的差异。
鉴此，研究金属材料的高温蠕变特性就显得尤为重要。
现如今，在研究金属材料蠕变特性时，除单轴拉伸蠕变试验方法外，研究者还提出了微小型试样技术等新型试验方法。
新的方法能解决单轴拉伸蠕变拉伸试验耗材多、试样制备要求严格等问题，但仍然耗时费力。
且对于在役设备来说，这些方法都会不同程度影响设备的正常运行。
蠕变的分类由于施加应力方式的不同，x e 可分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温弯曲蠕变和高温扭转蠕变。
高温蠕变比高温强度能更有效地预示材料在高温下长期使用时的应变趋势和断裂寿命，是材料的重要力学性能之一，它与材料的材质及结构特征有关。
蠕变试验方法单轴拉伸蠕变试验蠕变试验方法之一采用单轴拉伸试验温度一定的条件下，将一组试样置于不同应力下进行试验，得到一组孺变曲线，然后画出该温度下应力与规定时间蠕变速率的关系曲线，即可求出规定蠕变速率下的蠕变极限。
三点弯小试样蠕变试验单轴拉伸蠕变试验方法用材较多且对试样尺寸要求严格。
微小型试样技术是解决这种问题的有效方法。
因此，马渊睿等人通过将微小型试样技术与三点弯曲蠕变试验方法相结合，提出了三点弯小试样试验方法。
金属的高温高速变形
金属的高温高速变形金属的高温高速变形是指在极端温度条件下，金属经历的形态变化。
在高温高速条件下，金属会发生塑性变形，形成各种形状和结构。
这种变形过程具有独特的特点和重要的应用价值。
高温高速变形是金属材料在高温条件下的一种常见现象。
在高温下，金属的晶格结构发生变化，原子之间的空隙增大，金属材料的塑性增强。
同时，高温状态下原子的热运动加剧，原子之间的相互作用力减弱，使得金属材料更容易发生形变。
因此，高温能够显著提高金属的塑性变形能力。
高速变形是金属在快速加载或冲击作用下的一种变形行为。
在高速加载下，金属材料承受巨大的冲击力和压力，导致金属发生塑性形变。
高速变形常见于高速碰撞、爆炸、冲击等场景中。
在这些极端条件下，金属材料需要能够承受巨大的力量，同时保持结构的完整性和稳定性。
高温高速变形的研究对于理解金属的力学性能和开发新型材料具有重要意义。
首先，研究金属在高温高速条件下的变形行为，可以揭示金属材料的内在力学特性。
通过观察金属的变形形态和结构演变，可以了解金属的塑性变形机制和变形规律。
其次，高温高速变形可以为新材料的设计和制备提供参考。
通过控制金属的变形条件和过程，可以制备出具有特殊性能和结构的新型材料，如高强度、高韧性、高导热性的金属材料。
高温高速变形还具有广泛的应用价值。
首先，它在航空航天领域得到广泛应用。
航空航天器在飞行过程中需要承受高温高速的冲击和振动，因此需要使用能够在极端条件下保持结构完整性的金属材料。
其次，高温高速变形在能源领域也具有重要意义。
例如，在燃烧室中，燃料的燃烧会产生高温高速的气流，金属材料需要能够承受这种高温高速环境。
因此，研究金属在高温高速条件下的变形行为，可以为能源设备的设计和优化提供指导。
金属的高温高速变形是金属材料在极端温度和加载条件下的一种形态变化。
它不仅对于金属的力学性能和材料设计具有重要意义，还具有广泛的应用价值。
通过深入研究金属的高温高速变形行为，可以为金属材料的开发和应用提供理论基础和技术支持。
金属在长期高温运行中的变化和锅炉用钢的选择
金属在长期高温运行中的变化和锅炉用钢的选择一、金属在长期高温运行中的变化简介：金属在高温长期运行过程中的变化主要有：A、金属的蠕变和应力松弛；B、金属在长期高温运行中发生的组织和性能变化；C、金属在高温下的腐蚀和其它特殊损坏。
1、钢的一些高温性能1．1 蠕变1．1．1概念金属在一定温度和应力（即使该应力小于该温度下的屈服强度）作用下，随时间的增加，缓慢的发生塑性变形的现象称为蠕变。
蠕变的变形量称为蠕胀。
1．1．2蠕变曲线金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述。
蠕变曲线分为三个阶段：蠕变第一阶段，过渡蠕变阶段，蠕变速度逐渐减小；蠕变第二阶段，稳态蠕变阶段，以恒定速度蠕变；蠕变第三阶段，加速蠕变阶段，蠕变速度逐渐增大。
1．1．3蠕变极限的表示方法（1）以一定的工作温度下引起的规定的第二阶段蠕变速度应力值表示,所用符号为σ-7；（蠕变允许速度为10-5％/h）1x10（2）以一定工作温度下，规定时间内钢材发生一定的总变形量时的应力值表示σ1/105上述两种表示中，当所确定的变形量之间相差很少，可以认为这两种方法是一致的。
1．1．4蠕变变形的机理（介绍位错滑移蠕变机理）在整个蠕变过程中有两种过程在进行：（1）新位错的产生及位错运动遇到障碍受阻；（2）受阻位错从障碍中解放出来而重新运动。
由于这两种过程的总和，每一瞬间，总有一定数量的位错准备运动，而蠕变速度正取决于准备运动的位错数。
因此，可以这样理解，当两种过程的总和使准备运动的位错数目减少时，造成了蠕变速度的减小，即蠕变第一阶段；当两个过程的总和造成准备运动的位错数目一定时，使蠕变处于等速阶段，即蠕变的第二阶段；当两个过程的总和使准备运动的位错增加时，就使蠕变过程加速，形成了蠕变的第三阶段。
1．1．5影响因素（1）温度越高，应力越大，蠕变速度越大；（2）温度波动使钢的蠕变极限降低；（3）复杂应力条件下蠕变极限与单相拉伸差别很小，单相拉伸的蠕变极限略高一些。
1．2持久强度：一定温度下，经过一定的时间破坏时所能承受的应力值，表示金属材料在高温长期应力作用下，抵抗断裂的能力，所用符号为σ105。
长期在高温条件下工作的钢材，会产生哪些损坏-
长期在高温条件下工作的钢材，会产生哪些损坏?
关键词:
工作
高温
钢材
火力发电厂的锅炉、汽轮机、主蒸汽管道等部件，是长期在高温'>高温条件下工作'>工作的。
金属材料长期处于高温'>高温、高应力和高速转动的状态下，由于外部介质的腐蚀与磨损，金属内部组织与性能的劣化，会导致设备部件的失效损坏。
长期在高温条件下工作'>工作的钢材'>钢材，主要产生以下形式的损坏：
（1）脆性断裂：金属材料在外载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂，且断裂前没有明显的塑性变形，称为脆性断裂。
（2）蠕变损伤：由于金属产生过量的蠕变变形，致使部件不能使用甚至爆裂的损坏，叫做蠕变损伤。
（3）氧化与腐蚀：金属由于长期接触高温烟气或汽水，以及一些腐蚀介质，金属的表面不断受到各种浸蚀，有时还会侵入金属内部，造成部件的破裂损坏。
（4）金属内部显微组织变劣：由于金属材料长期处于高温状态，其内部显微组织发生变化，如珠光体球化、石墨化、固溶体中合金元素的贫化等。
金属内部显微组织的变劣，也使材料的综合性能变差。
（5）疲劳损坏：机械部件在交变载荷的作用下，经较长时间的工作而发生断裂损坏的现象，称为金属材料的疲劳损坏。
高温条件对钢材性能的影响
在室温条件下，钢材的金相组织一般都相当稳定。
但是，在高温条件下，金属原子的扩散活动能力增大，钢材的组织结构将不断发生变化。
因而导致钢材的性能发生变化。
温度愈高，原子的扩散能力愈强，在高温下使用的时间愈长，原子扩散得愈多，钢材的组织结构变化也就愈大。
长期在高温条件下工作的钢材，产生危害性的组织变化主要有：珠光体球化、石墨化及固溶体中合金元素的贫化。
常用的各种碳钢及低合金钢大都是珠光体钢。
这种钢的正常组织由珠光体与铁素体组成。
其中，珠光体又是由铁素体和渗碳体呈薄片状相互间夹而成，即片状珠光体。
片状珠光体是一种不稳定的组织，当温度较高时，原子的活动能力增强，扩散速度增加，珠光体中的片状渗碳体逐渐转变成球状，再逐渐聚集成大球团，这种现象称为珠光体球化。
珠光体球化会降低材料的室温强度，在中度球化的情况下，将使低碳钢和低碳钼钢的强度降低10-15，当严重球化时，强度降低约20-30。
另外，珠光体球化还会使材料的蠕变极限和持久强度明显降低，加速高温承压部件在使用过程中的蠕变速度，减少工作寿命，导致钢材在高温和应力作用下的加速破坏。
石墨化主要发生在低碳钢和含钼量0.5的低碳合金钢上。
在高温和应力的长期作用下，这种钢的组织中的渗碳体，自行分解为铁和石墨，这个过程称为石墨化。
开始时，石墨以微细的点状出现在金属内部，以后，逐渐聚集为愈来愈粗的颗粒。
石墨的强度极低，石墨化使金属材料的常温及高温强度下降，冲击韧性下降更大。
如果石墨成链状出现，则非常危险。
长期在高温和应力条件下工作的钢材，由于高温使合金元素原子的扩散能力增加，会导致合金元素在固溶体和碳化物相之间发生转移过程。
那些对固溶体起强化作用的合金元素，如铬、钼、锰等，会不断地脱溶，而碳化物相中的合金元素会逐渐增多，即合金元素由固溶体向碳化物转移，出现固溶体中合金元素的贫化现象。
合金元素转移的结果，使材料的高温强度（蠕变极限和持久强度）下降。
锅炉技术问答分上中下三贴.如下:锅炉技术问答（上）第二章流体力学基础知识1、什么是流体？什么是可压缩流体与不可压缩流体？一切物质都是由分子组成的。
铜及铜合金在高温环境下的性能研究
M etallurgical smelting冶金冶炼铜及铜合金在高温环境下的性能研究许义月，傅金林，周伶俐摘要：铜及其合金作为重要的工程材料，在各个领域都有广泛应用。
然而，在高温环境下，铜及铜合金的性能受到严重挑战，如热膨胀、氧化和强度降低等问题。
这些问题不仅影响了材料的性能和寿命，也制约了其在电子、航空航天等领域的应用潜力。
因此，深入研究铜及铜合金在高温环境下的性能特点，并提出相应的优化措施，具有重要意义。
本文旨在通过理论分析，探讨铜及铜合金在高温环境下的性能问题，并提出解决方案和优化措施，以提高其在实际应用中的效能。
同时，本文还将探讨铜及铜合金在电子、航空航天等领域的应用前景。
关键词：铜合金；高温环境；性能特点；优化措施；应用前景铜及其合金作为重要的工程材料，在多个领域具有广泛应用。
然而，高温环境对铜及铜合金的性能会产生显著影响，例如，热膨胀、氧化和强度降低等问题。
因此，深入研究铜及铜合金在高温环境下的性能特点，并提出相应的优化措施，对于提高其在实际应用中的效能至关重要。
通过理论分析，探讨铜及铜合金在高温环境下的性能问题，并提出解决方案和优化措施，同时探讨其在电子、航空航天等领域的应用前景，以期为相关领域的研究和应用提供参考。
1 铜及铜合金在高温环境下的性能研究1.1 铜及铜合金的热膨胀性铜及其合金在高温环境下的热膨胀性是一个重要的性能特点。
热膨胀性是指材料在温度变化时的尺寸变化情况。
在高温下，材料受热后原子内部的热振动增强，导致晶格结构发生变化，从而引起材料的体积膨胀。
铜及铜合金的热膨胀性主要受到两个因素影响：晶格结构和合金元素含量。
铜的晶格结构属于面心立方结构，相对比较稳定。
然而，当合金中添加其他元素时，这些元素的不同晶格结构和原子尺寸会影响到铜的热膨胀性。
例如，铝、锡等元素可以引入不同的晶格缺陷，使得铜的热膨胀系数发生变化。
在实际应用中，铜及铜合金的热膨胀性需要得到有效控制。
过大的热膨胀系数可能导致材料在高温下产生应力集中现象，进而引发裂纹和破坏。
材料的组织结构与性能的关系
第三章材料的组织结构与性能的关系在第一章，我们特别强调指出微观结构不同性能会不同。
上一章，我们进一步明确了微观结构的具体物理意义。
微观结构具体怎样影响性能，有哪些客观规律，就是这一章大家要学习的内容。
掌握了这些知识，将会为大家选用材料，研制新材料提供理论依据。
结构材料和功能材料的区分在于人们对于材料主要要求的性能不同。
对于结构材料，材料的强度、韧性是主要要求的性能，这种性能对材料的组织、原子排列方式很敏感；而功能材料主要要求材料的声、电、热、光、磁等物理性能和化学性能，它们往往对组织不那么敏感，而对材料中的电子分布与运动敏感。
所以本章分成结构材料和功能材料二部分来介绍。
结构材料在工业文明中发挥了巨大作用。
大到海洋平台，小到一枚螺丝钉，它们所用材料都要考虑承载能力，都是用结构材料。
面向２１世纪，进一步发展空间技术、核能、海洋开发、石油、化工、建筑建材及交通运输等等仍然要依赖于结构材料。
其中金属材料以前是，现代仍然是占主导地位；在一些关键部位或特殊环境下如高温、腐蚀条件下要用到结构陶瓷；高分子材料重量轻、耐腐蚀的优点使人们在一些承载低的工况下用它做结构材料；复合材料由于可利用各种材料之长，正成为大家关注的热点，其作为结构材料使用的场合不断增加。
总之，这几类材料都可以作结构材料，但各有优缺点，通过学习大家要掌握这几类结构材料的特点和一些典型材料微观结构对性能的影响规律。
功能材料是当代新技术，如信息技术、生物工程技术、航空航天技术、能源技术、先进制造技术、先进防御技术……的物质基础，是新技术革命的先导，它的用量不大，但作用不小。
金属材料、无机非金属材料、高分子材料中都有一些是功能材料，不同功能材料的复合更有可能开发出多功能的功能材料。
由于这几类材料的声、光、电、热、磁各物理性质在本质上有共同的地方，所以功能材料部分我们按电、光、磁的顺序来介绍。
这三种物理性质用的较多。
对于电、光、磁本质的了解可以使我们容易理解形形色色的功能材料。
长期在高温条件下金属材料组织结构与性能的变化
73.6
117.7
540
106000
22.0
57.0
93.0
68.7
103
3、碳化物结构类型、数量和分布的变化
变化的原因：是使碳化物由亚稳定相 向稳定相转变
钢种 12MoCr
12Cr1MoV
102 12Cr2MoWVTiB
2 1 Cr ? 1Mo 4
温度（℃） 未运行 510
10 540 540 540 540 620
温度（℃）
时间（h）
Mn
Cr
Mo
未运行
未运行
10.2
11.3
2.7
510
45141
23.1
23.6
24.2
510
90329
27.9
18.1
41.5
510
106765
29.1
24.0
55.3
铁素体的显微
硬H度u20
（载荷 20g） 160 140 146 143
更正
（2）低合金铬钼钒钢
12Cr1MoV钢经长期运行后碳化物成分及钢的热强性的变化
0.5920
0.9176
5级 2.7916 7.6470 1.2301
名称 未球化 倾向性
球化
轻度 球化
中度 球化
完全 球化 严重 球化
球化级别 第一级 第二级 第三级
第四级 第五级 第六级
20 号低碳钢珠光体球化级别标准与组织特征
? b (MPa ) ? s (MPa) ? (%)
HB
组织特征
519.9
定义：合金元素随时间由一种组织组成物 向另一种组织组成物转移的现象
分配特点：固溶体中合金元素的含量逐渐 减少，碳化物中合金元素含量逐渐增多， 即合金元素由固溶体向碳化物转移，使固 溶体中合金元素贫化。
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Hu20 硬度
（载荷 20g） 160 140 146 143
（2）低合金铬钼钒钢
12Cr1MoV 钢经长期运行后碳化物成分及钢的热强性的变化 碳化物中合金元素的量占钢中 运行条件 温度（℃） 未运行 540 540 540 时间（h） 未运行 22065 54849 106000 合金元素量的百分比（%） Cr 13.6 9.4 20.0 22.0 Mo * 24.3 * 45.0 57.0 57.0 V
是以球化的组织状态和相应的机械性 能来表示。
20 号低碳钢各球化级别相应的碳化物分析数据 球化级别 碳化物平均尺寸 （m ） 1级 1.0391 2级 1.0923 3级 1.2432 4级 1.7906 5级 2.7916
碳化物最大尺寸 （
m
）
1.9968
3.3823
3.8785
5.6848
7.6470
图 3-3(a) 图 3-3(b) 图 3-3(c) 图 3-3(d)
石墨化评级图
(a) 1级；(b) 2级；(c) 3级；(d) 4级
3、石墨化的影响因素
•温度、时间
•化学成份：铬、钛、钒、铌等防止石墨 化。硅、铝、镍等却起促进石墨化。 •晶粒大小
•冷加工变形程度等存在的应力问题
合金元素在固溶体和碳化物
* 69.6 **
更正
蠕变极限
540 1 10 7
持久强度
540 10 5
(MPa)
(MPa)
96.7 — 73.6 68.7
— — 117.7 103
90.0 91.0 93.0
3、碳化物结构类型、数量和分布的变化
变化的原因：是使碳化物由亚稳定相 向稳定相转变
蠕变过程中碳化物结构类型的变化 钢种 12MoCr 温度（℃） 未运行 510 时间（h） 未运行 90329 碳化物结构类型
30~60 60
石墨化的级别对应的组织特征
石墨化级别及其组织特征 级 别 1 2 3 4 特 征 石墨球小，间距大，无石墨链 石墨球较大，比较分散，石墨链短 石墨球呈链状，石墨链较长，或石墨聚集呈块状， 石墨块较大，具有连续性 石墨呈聚集链状或块状，石墨链长，具有连续性 严重石墨化 名 称 轻度石墨化 明显石墨化 显著石墨化 图号
(%)
>50 15~50 6~20 <10
a k ( J / cm )
>80 50~100 20~50 <30
石墨化级别及其机械性能 2 弯曲角
o o o
石墨化面积(%)
m ( 石墨链长
<20 20~30
)
o 90
50 ~100
o
20 ~70 <30
o
<3 3~7 7~15 12~30
为次。
Fe3C ( M 3C ) Mo2 C +少量 M 6C
Fe3C VC 为主, Mo2 C Cr7 C3 为次。 Fe3C VC 为主, Mo2 C Cr7 C3 为次。 Fe3C VC 为主, Cr7 C3 为次M , 6C
少量。
Fe3C Cr7 C3 VC 为主, Cr23C 6 Mo2 C 为次。 VC M 7 C 3 M 23C 6
碳化物面积百分比 （
m
）
0.0384
0.2885
0.5920
0.9176
1.2301
20 号低碳钢珠光体球化级别标准与组织特征 名称 未球化 倾向性 球化 球化级别 第一级
b ( MPa )
519.9
s ( MPa)
347.3
(%)
30.0
HB 150～155
组织特征 珠光体中的碳化物略呈片 状 珠光体中的碳化物开始分 散；珠光体形态明显 珠光体区域中的碳化物开
VC M 7 C3
1 2 Cr 1Mo 4
M 6C
M 7 C3 M 6 C
M 3C ( M 3C M 2 C )
M 23C6
碳化物的形状： 当晶粒内部析出细小的针状 时， 钢的热强性提高；当细小的聚集粗大时， 热强性降低。 碳化物的分布状态： 碳化物首先在晶界析出，使晶界性质 发生较大的改变；当碳化物聚集在晶界上 呈连续膜状时，削弱了晶界强度，从而产 生蠕变裂纹，甚至造成沿晶脆性断裂。
第四章 长期在高温条件下金属材料 组织结构与性能的变化
珠光体的球化和碳化物聚集 1、珠光体的球化
定义：当温度较高时，原子的活动力增强，扩
散速度增加，片状渗碳体便逐渐转变成球状， 再逐渐聚集成大球团的现象。
20号钢珠光体球化金相组织图 （a）未球化（原始态）组织250×；(b) 球化后的组织500×
→长大成球→逐渐发展为球状、团絮状和 链状
2、石墨化的级别
钢材石墨化按石墨化面积、石墨链的 长度、组织特征及其机械性能，通常将 石墨化分为4级： 1级—轻度石墨化 2级—明显石墨化 3级—显著石墨化 4级—严重石墨化
石墨化的级别对应的机械性能
级别 1 2 3 4
(%)
>24 10~30 6~20 <10
2、固溶体和碳化物中合金元素成分的变化
（1）低合金铬钼钢
(a) 15CrMo钢
(b) 12MoCr钢
管道用钢碳化物中的钼质量分数与运行时间的关系
12MoCr 钢长期在 510℃下运行时碳化物成分的变化 碳化物中合金元素的量占钢中 运行条件 温度（℃） 未运行 510 510 510 时间（h） 未运行 45141 90329 106765 Mn 10.2 23.1 27.9 29.1 合金元素量的百分比（%） Cr 11.3 23.6 18.1 24.0 Mo 2.7 24.2 41.5 55.3 铁素体的显微
完全 球化 严重 球化
5、材料发生球化后的恢复处理
已发生球化的钢可采用热处理的方法 使之恢复原来的组织。将已发生球化的珠 光体钢加热到完全变成奥氏体组织的温度 （略高于900℃），保温一定时间（约1小 时左右），由于相变与再结晶，在冷却后 可得到原来的金相组织，从而消除了球化 现象
石墨化
1、石墨化的产生及对材料性能影响
2、球化对金属材料性能的影响 （1）对室温机械性能的影响 珠光体球化会使材料的室温强度降低
（2）对高温机械性能的影响
珠光体球化会使材料的的蠕变极限和 持久强度明显下降
3、影响珠光体球化的因素
•温度的影响
•化学成分的影响 •应力作用的影响 •晶粒度的影响 •冷加工变形程度
4、珠光体球化的级别
球化级别的划分的依据：
之间的重新分配
1织组成物 向另一种组织组成物转移的现象 分配特点：固溶体中合金元素的含量逐渐 减少，碳化物中合金元素含量逐渐增多， 即合金元素由固溶体向碳化物转移，使固 溶体中合金元素贫化。
性能变化：钢的固溶强化作用显著降低， 同时沉淀强化的作用也减弱，因此材料的 强度、蠕变极限和持久强度下降
不同硬度下的Cr-Mo-V转子钢的蠕变断裂曲线
2、硬度与最小蠕变速率之间的关系
最小蠕变速度与蠕变断裂寿命之间的 关系可以用MonkmanGrant经验公式描述：
Cr-Mo-V转子钢的MonkmanGrant关系
Cr-Mo-V转子钢最小蠕变速度
和硬度HV的关系曲线
第二级
485.6
300.2
29.0
146～150
轻度 球化
第三级
456.2
277.6
31.0
121～124
始分散，并开始逐渐向晶 界扩散；珠光体形态尚明 显
中度 球化
珠光体区域中的碳化物已 第四级 416.9 204.1 33.4 110～122 明显分散，并已向晶界聚 集；珠光体尚保留其形态 珠光体形态已消失，球状 第五级 367.9 196.2 35.8 104～107 化碳化物分布在晶界及铁 素体基体上，分散度较大 第六级 359.1 188.4 38.8 99.5～104 晶界及铁素体上的碳化物 已逐渐长大，分散度大
材质退化对低周疲劳特性的影响
1、汽轮机转子材料的软化特性
运行140,000小时的汽轮机高、中压转子的软化
2、硬度与低周疲劳特性之间的关系
Timo曲线
曲线
30Cr2MoV钢曲线
材质退化对蠕变特性的影响 1、硬度与蠕变断裂特性之间的关系 转子的运行温度和断裂时间仍然可以用 Larson-Miller参数P描述： Larson-Miller参数P与HV存在有下述关系：
Fe3C （ M 3C ）+少量 Mo2 C 。 Fe3C ( M 3C ) Mo2 C 为 主 (,Cr, Mo) 7 C3
及 少 量
M 6C
10 12Cr1MoV 540 540 540 540 102 12Cr2MoWVTiB 620 107675 90000 101794 106000 110660
定义：是指钢中的渗碳体分解成为游离碳， 并以石墨形式析出，在钢中形成石墨夹杂 的一种组织转变。
性能：石墨化现象的发生会使钢材性能恶 化，脆性急剧增大，容易导致钢管发生脆 性爆破事故。
石墨化条件：
高温、应力、温度（450℃~700℃）
反应式：
（石墨）
组织变化过程：
片状渗碳体→球状渗碳体→分解为石墨点
影响因素：温度、时间、成分（特别是含 碳量）、应力 发生原因：
合金元素原子溶入铁素体→固溶体→ 产生 晶格畸变→ 晶格不稳定→在高温的作用下 → 合金元素原子从固溶体中转移到结构比 较稳定的碳化物中→ 固溶体的贫化
合金元素的重新分配过程包含两个方面：
•固溶体和碳化物中合金元素含量的变化， 亦即碳化物成分的变化； •碳化物结构类型、数量和分布形式的变 化。