一种螺栓用钢高温力学性能研究

发布时间：2017-09-20 05:01

  本文关键词：一种螺栓用钢高温力学性能研究

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【摘要】：上海凯士比泵有限公司引进生产的德国CHTC和HG系列高压给水泵上使用的德国1.6772牌号钢材完全依赖进口,不仅成本高,而且供货进度时常不能保证。对此,李培耀等人根据合金材料成分与性能之间的关系,以及高压给水泵对螺栓力学性能的要求,设计制定了一种高强度高韧性螺栓用钢的合金成分、冶炼工艺与力学性能[1],并按照我国金属材料的命名规则将该材料命名为20CrNi4Mo。研究表明[2],该材料的常规力学性能均达到或超过德国1.6772牌号钢材,可以满足高压给水泵对螺栓材料常规力学性能的要求。由于高压给水泵的实际工况温度为230℃,这就要求螺栓用钢还应具备优良的持久性能、抗高温蠕变与抗高温松弛等高温力学性能。为此本文依据国家标准,对20CrNi4Mo钢的高温力学性能进行了实验研究。结果表明,20CrNi4Mo钢高温力学性能优良,能够满足高压给水泵对螺栓用钢高温力学性能的要求。本文的主要工作及成果如下：(1)20CrNi4Mo钢的短时高温拉伸试验结果如下：各试验条件下测试结果均超过了20CrNi4Mo钢的设计使用要求。(2)在400℃,应力分别为320MPa、380MPa和440MPa的条件下进行蠕变试验。根据试验结果得到蠕变曲线并计算不同试验条件下的稳态蠕变速率,分别为2.564×10-11s-1,3.564×10-11s-1,6.781×10-11s-1。利用稳态蠕变速率计算得到400℃条件下的蠕变极限σ1/10000400=707.9MPa。,高于设计指标σ1/10000400=44MPa。说明20CrNi4Mo钢具备优良的抗蠕变性能,能够满足实际使用要求。(3)在400℃,初始应力分别为340MPa和320MPa的条件下进行应力松弛试验。根据试验结果利用经验公式外推得到105小时后试样的剩余应力,分别为144.7MPa和134.7MPa。同时计算了不同试验条件下应力松弛第二阶段的应力松弛速率,分别为4.671×10-11s-1和4.158×10-11s-1。从上述结果可知试样的剩余应力较大,且应力松弛速率较小,说明20CrNi4Mo钢在400℃条件下的具备优良的抗应力松弛性能。(4)分别在350℃、400℃及450℃,多种应力条件下进行持久强度试验。20CrNi4Mo钢在350℃和400℃条件下的持久强度试验结果分别为σ18194350=1000MPa和σ13910400=770MPa,均超过了材料的对应温度下的持久强度设计指标σ104350=775MPa和σ104400=550MPa,说明20CrNi4Mo钢能够满足高压给水泵对螺栓材料持久性能的要求。根据试验结果对等温线法及时间—温度参数法中的的L-M参数法、K-D参数法和M-S参数法进行了比较分析,分析结果表明利用L-M参数法预测20CrNi4Mo钢的持久强度最为合理；用L-M参数法外推得到20CrNi4Mo钢在230℃条件下服役105小时的持久强度为σ105230=186.21MPa,说明工况温度下20CrNi4Mo钢具备优良的持久性能,并能长期可靠服役。
【关键词】：螺栓用钢 高温力学性能 蠕变 持久强度 应力松弛
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG142.1
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 课题研究背景和意义12
• 1.2 金属材料的高温力学性能12-22
• 1.2.1 金属材料的短时高温拉伸性能13
• 1.2.2 金属材料的蠕变13-17
• 1.2.3 金属材料的持久性能17-19
• 1.2.4 金属材料的应力松弛19-22
• 1.3 持久强度预测方法简介22-28
• 1.3.1 等温线法22-23
• 1.3.2 时间-温度参数法23-25
• 1.3.3 最小约束法25-26
• 1.3.4 状态方程法26
• 1.3.5 蠕变曲线描述模型26-28
• 1.3.6 多元回归法28
• 1.4 主要研究内容28-30
• 第二章 试验材料和方法30-34
• 2.1 试验材料30-31
• 2.2 力学性能测试31-34
• 2.2.1 短时高温拉伸试验31
• 2.2.2 蠕变试验31-32
• 2.2.3 持久强度试验32-33
• 2.2.4 应力松弛试验33-34
• 第三章 20CrNi4Mo钢高温拉伸、抗蠕变及抗松弛性能研究34-47
• 3.1 20CrNi4Mo钢的短时高温拉伸性能34-35
• 3.2 20CrNi4Mo钢抗蠕变性能的研究35-40
• 3.2.1 稳态蠕变速率的本构方程及其计算35-37
• 3.2.2 20CrNi4Mo钢的抗蠕变性能37-39
• 3.2.3 应力对 20CrNi4Mo钢蠕变行为的影响39
• 3.2.4 蠕变应力指数的确定39-40
• 3.2.5 20CrNi4Mo钢的蠕变变形机制40
• 3.3 20CrNi4Mo钢抗应力松弛性能的研究40-43
• 3.3.1 应力松弛试验结果40-41
• 3.3.2 20CrNi4Mo钢抗应力松弛性能的评价41-43
• 3.4 20CrNi4Mo钢蠕变速率与应力松弛速率之间的关系43-45
• 3.5 本章小结45-47
• 第四章 20CrNi4Mo钢持久性能的研究47-59
• 4.1 持久强度试验结果47-48
• 4.2 使用外推法求持久强度应注意的问题48
• 4.3 持久强度试验结果的数据处理48-55
• 4.3.1 等温线法48-50
• 4.3.2 时间一温度参数(T.T.P)法50-55
• 4.3.2.1 Larson-Miller(L-M)参数法50-53
• 4.3.2.2 K-D参数法53-54
• 4.3.2.3 M-S参数法54-55
• 4.4 数据处理结果的分析及讨论55-58
• 4.4.1 20CrNi4Mo钢持久强度的预测55-56
• 4.4.2 外推结果可靠性的分析56-57
• 4.4.2.1 等温线法可靠性的分析56-57
• 4.4.2.2 L-M参数法可靠性的分析57
• 4.4.3 20CrNi4Mo钢持久性能的评价57-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 总结与展望59-61
• 附录61-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果66-67
• 致谢67-68

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本文编号：886030