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摘要：本文主要根据实践经验进行研究分析，对金属材料的机械性能所产生的影响一般具有几方面的重要因素，例如，蠕变极限、焊接工艺、在金属材料当中所产生的化学成分等，所以通过对这些因素的分析，提出了相应的解决措施。
关键词：耐热金属材料；机械性能；蠕变极限；化学成分
中图分类号： TB31 文献标识码： A
引言
在很多企业中譬如说航空、电力、冶金、化工、石油等，这些行业中材料都是在比较高的温度背景下运行，所以必须利用耐高温的金属原料。在耐高温的金属原料的运行背景下，耐高温的金属原料必须具备以下两个方面的性能，金属原料在高温下具有稳定的化学性和高温强度。必须要仔细研习解析耐高温原料的影响元素，才能根据原因运用适当的方法以便提升耐高温金属原料的机械能力。
一、探讨耐热金属材料机械性能影响原因的意义
如果从耐热金属材料所使用的环境观察，其性能主要包括在两个方面，也就是它的高温强度以及它的化学稳定性能。但是，如果要是针对耐热金属材料，就必须要认真的分析研究它主要的影响因素，再根据具体原因采用相应的解决措施，从而提高金属材料的性能。耐热材料指的是具有蠕变变形小、断裂强度高等特点，同时在正常的使用过程中必须要具有一定的稳定性。然而在使用耐热材料的一些设备时，其设计概念却产生了一定的变化，曾经把坚决不破坏的设计思想是作为一个安全寿命进行设计的，从思想上主要是以安全设计以及允许损伤设计进行转变的。所谓运行安全设计指的是当局部材料出现破损时，其余下的部分仍然可以承受起破损部位的应力，而不会导致全部的零件出现破损情况，而设计允许损伤时主要是通过假设情况下出现裂纹，而当裂纹在扩展期间内的设备则仍然可以继续使用，对此，基于这种思想变化，对于开发者在设计考虑方法时就必须要做相应的转变，也就是要从一种材料的耐高温度以及对它蠕变的强度极限选择材料，找对方向。
二、耐热金属材料的性能特点
一般耐热的金属材料通常是与能源相关的条件下相互作用的，主要可以分成两种，（1）在静止状态下所应用的部件，例如有喷钼、材料电池电解质、透平叶片、人造卫星使用的热防护板等，但是如果根据卡诺循环基理观察，如果是有关能源的使用材料其温度越高，它的使用效率也会越高，当应用棱聚变能的状态时，如果所使用的温度过高时，其要求也会越高。（2）有动作机械部件，也就是透平喷气发动机可以对其使用离心力的部件。它的具体要求就是必须要具有蠕变性能以及抗氧化的性能。此外，如果要更好的使用自然能源，在各方面的要求上也会更为严格，如果要使用复合材料，也就是这种耐热结构的材料。通常情况下，如果金属材料在一定的室温下，其变形以及塑性主要是根据位错运动实现的，一般晶界的强调会很高，所以当位错运动时它就会具有很大阻力，因此，在室温下的晶粒出现越细时，而它的强度则会越高。如果在高温强度下，它会随温度的变化，越来越高，而晶界则会出现明显的下降趋势，对此，材料的强度也会逐渐的下降。如果晶内的强度再和晶界强度出现等同时，其金属材料在强度方面则会由晶界的强度进行决定了，而这时的温度也就称作为等强温度。
三、焊条对金属机械性能的影响原因
因为耐高温金属原料要长久的在高温度下作业，要保证金属原料有效的抗高温能力，就需要往金属原料中加入一些成分。如焊接材料与原材料的化学元素有较大差别，若金属工具在高温度下作业，就会造成金属连接地方因为一些成分的蔓延情况致使金属连接的机械功能降低，譬如说碳成分在连接线周围的蔓延。所以，在因金属工具的连接才选用链接原料时，需要保证材料的焊接功能和其母材料是一样的。所以为了确保耐高温金属原料的机械能力，焊接金属的化学元素必须要与母材料一样。此外，在焊条当中焊接工艺与一些元素的含量都会直接影响到焊接后的性能问题。但是，如果是对所需焊接的材料来讲，则必须要加强提高焊缝材料应具有的抗热裂性能，也应控制好其碳的标准含量，通常对焊缝的要求是其碳的含量必须要小于母材碳的含量。
四、建模分析蠕变极限的影响原因
（一）、蠕变极限影响原理
金属原料的强热性对于耐高温的金属原料来讲有着重要的作用。耐高温金属原料在高温度下它的每个配件机械能力，例如金属原料的顺从强度、疲劳强度、硬度等都要比在室温下有明显的下降。对于耐高温金属原料的强热性最重要起关键作用的就是它的蠕变能力。蠕变极限就是耐热金属材料在高温极限下，引起金属材料出现一定变形速度的应力。把试样加热到一定温度，同时加载一定荷载，长时间后就可以得到蠕变伸长率-时间曲线，如图1所示；通过对不同温度以及不同应力试样，从而得到多条蠕变曲线。
图1典型蠕变曲线
当温度随着不断升高时，其金属出现断裂的方法主要是通过穿晶断裂再转为晶间断裂，如果晶界越多，而产生断裂的可能性则会越大，其强度则会很低。当温度随着不断升高时，它的失效形式以及变形行为再同室温作比较时则会具有一定的区别，其表现特征就在于它的蠕变现象、持久强度以及应力的松驰度等方面，通过以上几个方面则是影响金属材料的重要因素。
（二）、304不绣钢高温蠕变特性数值模拟
304（0Crl8Ni9)不锈钢是一种通用性的不锈钢材料,防锈性能比200系列的不锈钢要强。耐高温特性同样比较好,可达1000-1200°C。304不锈钢具有较好的抗晶间腐蚀性能和优异的不锈耐腐蚀性能。由实验可知:在浓度￡65%且已沸腾的硝酸中,304不锈钢的抗腐蚀性能很强。另外,对碱溶液及大多數酸也具有良好的耐腐蚀能力。蠕变微观机制研究表明,304不绣钢的蠕变第一、第二阶段属于位错攀移,而第三阶段则由于交替滑移使得界面上产生了空洞或微裂纹,这是造成蠕变断裂的直接原因。
（三）、模型建立
304不锈钢钢管的规格为Φ57mmX3mm。取钢管横截面1/4为计算模型。温度分别为450°C、600°C,试验时间为10000h,规定应变为1%的总变形量。选用PLANEM3(8节点)单元进行数值模拟。模型及网格划分见图2。
图2计算模型
（四）、加载及求解
对建立的有限元数值模型进行加载:如下图4-7所示,载荷主要包括:温度、边界条件及压力等。位移的边界条件为:限制当坐标x=0时,边界面在X轴上的位移,即UX=0;限制当坐标y=0时,边界面在Y轴上的位移,即UY=0;载荷的边界条件为:钢管受恒定的内压载荷作用,因此在模型内壁分别施加恒定的压力:4。85MPa、3。78MPa。温度的初始条件为:设置工作温度分别为450°C、600°C。
（五）、ANSYS模拟结果及分析
图3 450°C、4。85MPa,VonMises等效蠕变应力
从304不锈钢钢管的VonMises等效蠕变应力云图可以看出,沿壁厚方向等效蠕变应力基本呈线性减小的趋势,最大值为22。7734MPa,最小值为20。8554MPa。其值远大于实验所施加的应力4。85MPa,因此,蠕变对304不锈钢钢管变形产生的影响十分明显。
由两种不同温度下管材的位移云图可以看出,钢管的内表面是蠕变最严重的部位,沿半径向外蠕变逐渐减小。因此,求解蠕变极限时应以管材内表面的变形量为准。对模拟结果进行分析可知,304不锈钢管在高温下的蠕变极限数值较小;且随着温度的升高,304不锈钢钢管的蠕变极限呈逐渐减小的趋势。因此,在工程设计时,应格外注意高温蠕变对304不锈钢钢管变形产生的影响。
（六）、提高蠕变强度方式
耐高温金属中可以再高温下长久工作，具备很强的蠕变能力和很高的强度，说明此材料具备很好的耐热性，根据研究，这些金属中都含有较高的铬和镍。金属材料中含有高量的镍(Ni)、铬(Cr)，会具备很好的耐侵蚀性、耐高溫度性和耐氧化性。通过增加碳含量后，鉴于其固溶强化作用使耐热金属材料强度得到有效提高，通过在耐热金属材料以铬、镍为基础的化学成分中掺入适量的钨、铌、钼以及钛等元素，因为金属材料的组织为面心立方结构，因此在高温下金属材料仍有具有较高的强度和蠕变强度。
五、化学影响因素的作用
耐热金属材料，即是对它的机械性在其内部的元素会有非常重要的一些因素。通常情况下，由于耐热金属材料会长期在高温下进行作业，所以如果要保证其材料具有一定的高温性能，就必须要掺入一些重要的元素。就比如说可以在材料当中加入适量的钼，并且可以有效的促使晶粒达到细化的目的，进而也提高了金属材料的热强性以及淬透性，同时在高温下可以持续达到足够的强度也具有抗蠕变的能力等。此外，如果在金属材料当中加入适量的钼，它可以提升材料的机械性能，同时也能够抵抗因高温所引发材料的脆性。如果在材料当中加入一定量的铝元素，也可以促使在金属材料当中的晶粒充分的细化，从而提升它的冲击韧性。而铝这种元素是具有一定的抗氧化性和良好的抗腐蚀性，所以可以在耐热金属材料当中适量的掺入铝元素，从而可以在高温条件下其材料不会发生起皮的现象，同时也具有抗高温的腐蚀性能。
化学元素会影响到材料本身的机械性能。以下两种元素的影响会较为明显：（1）而对于锰这种元素，如果应用在金属材料当中它会出现脱氧剂的反应，一方面它可以加强材料的硬度以及强度，也可以从一定程度上改善金属材料所具有的热加工性能。然而，锰含量随着不断的增加，它就是降低金属材料的抗腐蚀能力，而它的焊接性能也会有所降低。（2）在耐热金属材料当中，硫和磷均属于有害的元素，它们会降低金属材料的塑性，同时也会影响到其材料焊接的性能。
六、提高耐热金属机械性能
从以上的耐热金属材料影响本质来看，细化晶粒在常温下是提高金属材料性能的好方法，但是对于高温金属材料则是不适合的。所以，在高温下工作的耐热金属材料常采用下列方法来提高金属材料的机械性能。（1）耐热金属材料晶粒越细，蠕变发展的越明显，粗晶粒钢的蠕变速度较低。因此如在金属材料中加入B、Re和碱土金属，可以与S、P等杂质生成稳定难熔的化合物，减小了S、P杂质对热强性的影响，以达到纯化（净化）晶界目的。（2）耐热金属材料的机械性能最基本是取决于原子间的结合力，原子排列越紧密，基体的机械性能也就高。
结束语
本文主要根据实践经验进行研究分析，对金属材料的机械性能所产生的影响一般具有几方面的重要因素，例如，蠕变极限、焊接工艺、在金属材料当中所产生的化学成分等，所以通过对这些因素的分析，提出了相应的解决措施，希望能为同行进行参考。
参考文献
[1]李占才.耐热金属材料机械性能影响原因探索[J].中国新技术新产品，2011(23).
[2]任乃飞，杨继昌，蔡兰，等．焊接对耐热金属材料机械性能的影响[J]．机械制造．2008，31(03)：75-76．
关键词：耐热金属材料；机械性能；蠕变极限；化学成分
中图分类号： TB31 文献标识码： A
引言
在很多企业中譬如说航空、电力、冶金、化工、石油等，这些行业中材料都是在比较高的温度背景下运行，所以必须利用耐高温的金属原料。在耐高温的金属原料的运行背景下，耐高温的金属原料必须具备以下两个方面的性能，金属原料在高温下具有稳定的化学性和高温强度。必须要仔细研习解析耐高温原料的影响元素，才能根据原因运用适当的方法以便提升耐高温金属原料的机械能力。
一、探讨耐热金属材料机械性能影响原因的意义
如果从耐热金属材料所使用的环境观察，其性能主要包括在两个方面，也就是它的高温强度以及它的化学稳定性能。但是，如果要是针对耐热金属材料，就必须要认真的分析研究它主要的影响因素，再根据具体原因采用相应的解决措施，从而提高金属材料的性能。耐热材料指的是具有蠕变变形小、断裂强度高等特点，同时在正常的使用过程中必须要具有一定的稳定性。然而在使用耐热材料的一些设备时，其设计概念却产生了一定的变化，曾经把坚决不破坏的设计思想是作为一个安全寿命进行设计的，从思想上主要是以安全设计以及允许损伤设计进行转变的。所谓运行安全设计指的是当局部材料出现破损时，其余下的部分仍然可以承受起破损部位的应力，而不会导致全部的零件出现破损情况，而设计允许损伤时主要是通过假设情况下出现裂纹，而当裂纹在扩展期间内的设备则仍然可以继续使用，对此，基于这种思想变化，对于开发者在设计考虑方法时就必须要做相应的转变，也就是要从一种材料的耐高温度以及对它蠕变的强度极限选择材料，找对方向。
二、耐热金属材料的性能特点
一般耐热的金属材料通常是与能源相关的条件下相互作用的，主要可以分成两种，（1）在静止状态下所应用的部件，例如有喷钼、材料电池电解质、透平叶片、人造卫星使用的热防护板等，但是如果根据卡诺循环基理观察，如果是有关能源的使用材料其温度越高，它的使用效率也会越高，当应用棱聚变能的状态时，如果所使用的温度过高时，其要求也会越高。（2）有动作机械部件，也就是透平喷气发动机可以对其使用离心力的部件。它的具体要求就是必须要具有蠕变性能以及抗氧化的性能。此外，如果要更好的使用自然能源，在各方面的要求上也会更为严格，如果要使用复合材料，也就是这种耐热结构的材料。通常情况下，如果金属材料在一定的室温下，其变形以及塑性主要是根据位错运动实现的，一般晶界的强调会很高，所以当位错运动时它就会具有很大阻力，因此，在室温下的晶粒出现越细时，而它的强度则会越高。如果在高温强度下，它会随温度的变化，越来越高，而晶界则会出现明显的下降趋势，对此，材料的强度也会逐渐的下降。如果晶内的强度再和晶界强度出现等同时，其金属材料在强度方面则会由晶界的强度进行决定了，而这时的温度也就称作为等强温度。
三、焊条对金属机械性能的影响原因
因为耐高温金属原料要长久的在高温度下作业，要保证金属原料有效的抗高温能力，就需要往金属原料中加入一些成分。如焊接材料与原材料的化学元素有较大差别，若金属工具在高温度下作业，就会造成金属连接地方因为一些成分的蔓延情况致使金属连接的机械功能降低，譬如说碳成分在连接线周围的蔓延。所以，在因金属工具的连接才选用链接原料时，需要保证材料的焊接功能和其母材料是一样的。所以为了确保耐高温金属原料的机械能力，焊接金属的化学元素必须要与母材料一样。此外，在焊条当中焊接工艺与一些元素的含量都会直接影响到焊接后的性能问题。但是，如果是对所需焊接的材料来讲，则必须要加强提高焊缝材料应具有的抗热裂性能，也应控制好其碳的标准含量，通常对焊缝的要求是其碳的含量必须要小于母材碳的含量。
四、建模分析蠕变极限的影响原因
（一）、蠕变极限影响原理
金属原料的强热性对于耐高温的金属原料来讲有着重要的作用。耐高温金属原料在高温度下它的每个配件机械能力，例如金属原料的顺从强度、疲劳强度、硬度等都要比在室温下有明显的下降。对于耐高温金属原料的强热性最重要起关键作用的就是它的蠕变能力。蠕变极限就是耐热金属材料在高温极限下，引起金属材料出现一定变形速度的应力。把试样加热到一定温度，同时加载一定荷载，长时间后就可以得到蠕变伸长率-时间曲线，如图1所示；通过对不同温度以及不同应力试样，从而得到多条蠕变曲线。
图1典型蠕变曲线
当温度随着不断升高时，其金属出现断裂的方法主要是通过穿晶断裂再转为晶间断裂，如果晶界越多，而产生断裂的可能性则会越大，其强度则会很低。当温度随着不断升高时，它的失效形式以及变形行为再同室温作比较时则会具有一定的区别，其表现特征就在于它的蠕变现象、持久强度以及应力的松驰度等方面，通过以上几个方面则是影响金属材料的重要因素。
（二）、304不绣钢高温蠕变特性数值模拟
304（0Crl8Ni9)不锈钢是一种通用性的不锈钢材料,防锈性能比200系列的不锈钢要强。耐高温特性同样比较好,可达1000-1200°C。304不锈钢具有较好的抗晶间腐蚀性能和优异的不锈耐腐蚀性能。由实验可知:在浓度￡65%且已沸腾的硝酸中,304不锈钢的抗腐蚀性能很强。另外,对碱溶液及大多數酸也具有良好的耐腐蚀能力。蠕变微观机制研究表明,304不绣钢的蠕变第一、第二阶段属于位错攀移,而第三阶段则由于交替滑移使得界面上产生了空洞或微裂纹,这是造成蠕变断裂的直接原因。
（三）、模型建立
304不锈钢钢管的规格为Φ57mmX3mm。取钢管横截面1/4为计算模型。温度分别为450°C、600°C,试验时间为10000h,规定应变为1%的总变形量。选用PLANEM3(8节点)单元进行数值模拟。模型及网格划分见图2。
图2计算模型
（四）、加载及求解
对建立的有限元数值模型进行加载:如下图4-7所示,载荷主要包括:温度、边界条件及压力等。位移的边界条件为:限制当坐标x=0时,边界面在X轴上的位移,即UX=0;限制当坐标y=0时,边界面在Y轴上的位移,即UY=0;载荷的边界条件为:钢管受恒定的内压载荷作用,因此在模型内壁分别施加恒定的压力:4。85MPa、3。78MPa。温度的初始条件为:设置工作温度分别为450°C、600°C。
（五）、ANSYS模拟结果及分析
图3 450°C、4。85MPa,VonMises等效蠕变应力
从304不锈钢钢管的VonMises等效蠕变应力云图可以看出,沿壁厚方向等效蠕变应力基本呈线性减小的趋势,最大值为22。7734MPa,最小值为20。8554MPa。其值远大于实验所施加的应力4。85MPa,因此,蠕变对304不锈钢钢管变形产生的影响十分明显。
由两种不同温度下管材的位移云图可以看出,钢管的内表面是蠕变最严重的部位,沿半径向外蠕变逐渐减小。因此,求解蠕变极限时应以管材内表面的变形量为准。对模拟结果进行分析可知,304不锈钢管在高温下的蠕变极限数值较小;且随着温度的升高,304不锈钢钢管的蠕变极限呈逐渐减小的趋势。因此,在工程设计时,应格外注意高温蠕变对304不锈钢钢管变形产生的影响。
（六）、提高蠕变强度方式
耐高温金属中可以再高温下长久工作，具备很强的蠕变能力和很高的强度，说明此材料具备很好的耐热性，根据研究，这些金属中都含有较高的铬和镍。金属材料中含有高量的镍(Ni)、铬(Cr)，会具备很好的耐侵蚀性、耐高溫度性和耐氧化性。通过增加碳含量后，鉴于其固溶强化作用使耐热金属材料强度得到有效提高，通过在耐热金属材料以铬、镍为基础的化学成分中掺入适量的钨、铌、钼以及钛等元素，因为金属材料的组织为面心立方结构，因此在高温下金属材料仍有具有较高的强度和蠕变强度。
五、化学影响因素的作用
耐热金属材料，即是对它的机械性在其内部的元素会有非常重要的一些因素。通常情况下，由于耐热金属材料会长期在高温下进行作业，所以如果要保证其材料具有一定的高温性能，就必须要掺入一些重要的元素。就比如说可以在材料当中加入适量的钼，并且可以有效的促使晶粒达到细化的目的，进而也提高了金属材料的热强性以及淬透性，同时在高温下可以持续达到足够的强度也具有抗蠕变的能力等。此外，如果在金属材料当中加入适量的钼，它可以提升材料的机械性能，同时也能够抵抗因高温所引发材料的脆性。如果在材料当中加入一定量的铝元素，也可以促使在金属材料当中的晶粒充分的细化，从而提升它的冲击韧性。而铝这种元素是具有一定的抗氧化性和良好的抗腐蚀性，所以可以在耐热金属材料当中适量的掺入铝元素，从而可以在高温条件下其材料不会发生起皮的现象，同时也具有抗高温的腐蚀性能。
化学元素会影响到材料本身的机械性能。以下两种元素的影响会较为明显：（1）而对于锰这种元素，如果应用在金属材料当中它会出现脱氧剂的反应，一方面它可以加强材料的硬度以及强度，也可以从一定程度上改善金属材料所具有的热加工性能。然而，锰含量随着不断的增加，它就是降低金属材料的抗腐蚀能力，而它的焊接性能也会有所降低。（2）在耐热金属材料当中，硫和磷均属于有害的元素，它们会降低金属材料的塑性，同时也会影响到其材料焊接的性能。
六、提高耐热金属机械性能
从以上的耐热金属材料影响本质来看，细化晶粒在常温下是提高金属材料性能的好方法，但是对于高温金属材料则是不适合的。所以，在高温下工作的耐热金属材料常采用下列方法来提高金属材料的机械性能。（1）耐热金属材料晶粒越细，蠕变发展的越明显，粗晶粒钢的蠕变速度较低。因此如在金属材料中加入B、Re和碱土金属，可以与S、P等杂质生成稳定难熔的化合物，减小了S、P杂质对热强性的影响，以达到纯化（净化）晶界目的。（2）耐热金属材料的机械性能最基本是取决于原子间的结合力，原子排列越紧密，基体的机械性能也就高。
结束语
本文主要根据实践经验进行研究分析，对金属材料的机械性能所产生的影响一般具有几方面的重要因素，例如，蠕变极限、焊接工艺、在金属材料当中所产生的化学成分等，所以通过对这些因素的分析，提出了相应的解决措施，希望能为同行进行参考。
参考文献
[1]李占才.耐热金属材料机械性能影响原因探索[J].中国新技术新产品，2011(23).
[2]任乃飞，杨继昌，蔡兰，等．焊接对耐热金属材料机械性能的影响[J]．机械制造．2008，31(03)：75-76．