第08章金属高温力学性能-材料力学性能

1、1第八章第八章 金属高温力学性能金属高温力学性能 在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机等设备中，很多机件动机等设备中，很多机件长期在高温下服役长期在高温下服役。对。对于这类机件的材料，只考虑于这类机件的材料，只考虑常温短时静载常温短时静载时的力时的力学性能是不够的。学性能是不够的。 如化工设备中高温高压管道，虽然承受的应如化工设备中高温高压管道，虽然承受的应力力小于该工作温度下材料的屈服强度小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期，但在长期使用过程中会使用过程中会产生连续的塑性变形产生连续的塑性变形，即蠕变现象，即蠕变现象，使管径逐步增大，使管径逐步

2、增大，甚至会导致管道破裂甚至会导致管道破裂。2 对长期在高温条件下工作的金属机件，如果仅对长期在高温条件下工作的金属机件，如果仅考虑常温短时静载下的力学性能显然是不够的。因考虑常温短时静载下的力学性能显然是不够的。因为为温度温度和和作用时间作用时间对金属材料的力学性能影响很大。对金属材料的力学性能影响很大。 1、温度的影响：温度的影响：一般随温度升高，金属材一般随温度升高，金属材料的强度降低而塑性增加料的强度降低而塑性增加。 2、载荷持续时间的影响：载荷持续时间的影响：如果不考虑环境如果不考虑环境介质的影响，则可认为材料的常温静载力学性能介质的影响，则可认为材料的常温静载力学性能与载荷持续时间

3、关系不大。但与载荷持续时间关系不大。但在高温下，载荷持在高温下，载荷持续时间对力学性能有很大影响续时间对力学性能有很大影响。3 0.5 0.5时，为时，为“高温高温”；反之则；反之则为为“低温低温” ” 。 意义意义：对于不同的金属材料，：对于不同的金属材料，在同样的约比在同样的约比温度下，其蠕变行为相似，其力学性能变化规律也温度下，其蠕变行为相似，其力学性能变化规律也是相同的是相同的。 68 81 1 金属的蠕变现象金属的蠕变现象 一、蠕变的定义一、蠕变的定义 金属在长时间恒温、恒载荷（即使应力小于该金属在长时间恒温、恒载荷（即使应力小于该温度下的屈服强度）作用下缓慢地产生塑性变形的温度下的

4、屈服强度）作用下缓慢地产生塑性变形的现象现象。 由蠕变变形导致的材料的断裂，称为称为由蠕变变形导致的材料的断裂，称为称为蠕变蠕变断裂断裂。 蠕变在低温下也会产生，但蠕变在低温下也会产生，但只有当约比温度大只有当约比温度大于于0.3时才比较显著时才比较显著。如碳钢超过。如碳钢超过300、合金钢超、合金钢超过过400时就必须考虑蠕变的影响。时就必须考虑蠕变的影响。7 二、金属的蠕变过程二、金属的蠕变过程 金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述，典型的金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线蠕变曲线如图所示如图所示。 按按蠕变速率蠕变速率的变化，曲线可以分为三个阶段：的变化，曲线可以分为三个阶段：

5、 第一阶段第一阶段：ab 减速蠕变阶段，又称过渡蠕变减速蠕变阶段，又称过渡蠕变阶段。开始大，逐渐减速；阶段。开始大，逐渐减速； 第二阶段第二阶段：bc 恒速蠕变阶段，又称稳态蠕变恒速蠕变阶段，又称稳态蠕变阶段。速率几乎保持不变；阶段。速率几乎保持不变； 第三阶段第三阶段：cd 加速蠕变阶段，逐渐增大，最加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断裂。后产生断裂。8 同一材料的蠕变曲线随着温度高低及应力的同一材料的蠕变曲线随着温度高低及应力的大小而有不同。大小而有不同。如图所示如图所示 应力较小、温度较低时应力较小、温度较低时：蠕变的恒速蠕变阶：蠕变的恒速蠕变阶段持续时间长，甚至不出现加速蠕变阶段；段持续

6、时间长，甚至不出现加速蠕变阶段； 应力较大、温度较高时应力较大、温度较高时：蠕变恒速蠕变阶段：蠕变恒速蠕变阶段持续时间短，甚至消失，试样在短时间内断裂，持续时间短，甚至消失，试样在短时间内断裂，主要为加速蠕变。主要为加速蠕变。9 应力松弛应力松弛 由于金属在长时高温载荷下会产生蠕变现象，由于金属在长时高温载荷下会产生蠕变现象，对于在高温下工作、依靠原始弹性变形获得工作应对于在高温下工作、依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，如高温管道内用的螺栓等，随时间的延力的机件，如高温管道内用的螺栓等，随时间的延长，长，在总变形量不变的前提下，弹性变形变为塑性在总变形量不变的前提下，弹性变形变为塑性变形，从

7、而使工作应力降低，导致失效。变形，从而使工作应力降低，导致失效。 在温度及初始应力一定时，材料中的应力在温度及初始应力一定时，材料中的应力随着时间的增加而减小的现象随着时间的增加而减小的现象称为称为应力松弛应力松弛。 可以看成应力不断降低条件下的蠕变过程。可以看成应力不断降低条件下的蠕变过程。 注意注意：应力松弛与蠕变的区别：应力松弛与蠕变的区别108-2 8-2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理 一、蠕变变形机理一、蠕变变形机理 金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散等机理进行，与温度及应力的变化有关。等机理进行，与温度及应力的变化有关。

8、 （一）位错滑移蠕变（一）位错滑移蠕变 常温下常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移就不能进行，只有在更大的切应力作用下积，滑移就不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和增殖。位移重新运动和增殖。 高温下高温下，位错可借助于外界提供的，位错可借助于外界提供的热激活能热激活能和和空位扩散空位扩散克服某些短程障碍，有利于加强位错的运克服某些短程障碍，有利于加强位错的运动（滑移、攀移、交滑移等），克服短程障碍。从动（滑移、攀移、交滑移等），克服短程障碍。从而产生塑性变形。而产生塑性变形。11 高温下的热激活过程主要是刃型位错的攀移，高温下的热激活过

9、程主要是刃型位错的攀移，模型。模型。如图所示如图所示 当塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在当塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移面上运动，或与异号位错相遇对消、或形新的滑移面上运动，或与异号位错相遇对消、或形成亚晶界、或被晶界吸收。成亚晶界、或被晶界吸收。 当塞积群中某一位错被激活发生当塞积群中某一位错被激活发生攀移攀移时，位错时，位错源便可能再次放出一个位错，从而形成源便可能再次放出一个位错，从而形成动态回复动态回复过过程，蠕变得以不断发展。程，蠕变得以不断发展。12 在在蠕变第一阶段蠕变第一阶段：由于蠕变变形逐步产生：由于蠕变变形逐步产生应变应变硬化硬化，使位错源移动的阻力及

10、位错滑移的阻力逐渐，使位错源移动的阻力及位错滑移的阻力逐渐增大，使得蠕变速率不断降低。也称为增大，使得蠕变速率不断降低。也称为“减速蠕变减速蠕变阶段阶段”。 蠕变第一阶段是很短的，不超过几百小蠕变第一阶段是很短的，不超过几百小时。一般在高温下工作的机件所要求的寿命都设定时。一般在高温下工作的机件所要求的寿命都设定在蠕变第二阶段。在蠕变第二阶段。 在在蠕变第二阶段蠕变第二阶段：动态回复（软化），硬化与：动态回复（软化），硬化与软化达到平衡，蠕变速率为一常数。软化达到平衡，蠕变速率为一常数。13 （二）扩散蠕变（二）扩散蠕变 这是在这是在较高温度下的一种蠕变变形机理较高温度下的一种蠕变变形机理，约

11、比，约比温度温度t/tm0.5。 高温和应力的作用下，空位、原子的定向扩散高温和应力的作用下，空位、原子的定向扩散（不均匀应力场）。（不均匀应力场）。 材料产生蠕变。材料产生蠕变。 承受拉应力（承受拉应力（A、B晶界）的晶界，空位浓度减晶界）的晶界，空位浓度减小；承受压应力（小；承受压应力（C、D晶界）的晶界，空位浓度增晶界）的晶界，空位浓度增加。加。如图所示如图所示 这种晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移，这种晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移，原子朝相反方向运动，使得晶体伸长的蠕变，称为原子朝相反方向运动，使得晶体伸长的蠕变，称为扩散蠕变。扩散蠕变。14 （三）晶界滑动（三）晶界滑动 高温

12、和应力的作用下，因晶界上的原子容易高温和应力的作用下，因晶界上的原子容易扩散，受力后晶界易产生滑动（即晶粒发生转扩散，受力后晶界易产生滑动（即晶粒发生转动），也促进蠕变进行。动），也促进蠕变进行。 晶界滑动对蠕变的贡献较小，一般在晶界滑动对蠕变的贡献较小，一般在10左左右；此机理不是独立的机理，因晶界滑动要与晶右；此机理不是独立的机理，因晶界滑动要与晶内滑移变形相配合，否则不能维持晶界的连续性，内滑移变形相配合，否则不能维持晶界的连续性，导致晶界产生裂纹。导致晶界产生裂纹。 晶粒减小，晶界滑动对蠕变的作用越大。晶粒减小，晶界滑动对蠕变的作用越大。15 二、蠕变断裂机理二、蠕变断裂机理 实验表明

13、，不同温度及应力条件下，晶界裂实验表明，不同温度及应力条件下，晶界裂纹的形成方式有两种：纹的形成方式有两种： 1、在三晶粒交会处形成楔形裂纹在三晶粒交会处形成楔形裂纹 这是在这是在高应力和低温下高应力和低温下，由于晶界滑动在三，由于晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞互相连接形成楔形裂纹。互相连接形成楔形裂纹。如图所示如图所示16 2、在晶界上由空洞形成晶界裂纹在晶界上由空洞形成晶界裂纹 这是较低应力和较高温度下产生的裂纹。这是较低应力和较高温度下产生的裂纹。 这种裂纹出现在晶界上突起的部位和细小的这种裂纹出现在晶界上突起的部位和细小

14、的第二相质点附近，由于晶界滑动产生空洞，这些第二相质点附近，由于晶界滑动产生空洞，这些空洞长大并连接，就形成裂纹。空洞长大并连接，就形成裂纹。如图所示如图所示 由于蠕变断裂主要在晶界上产生，所以晶界由于蠕变断裂主要在晶界上产生，所以晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。17 三、断口特征三、断口特征 1 1、宏观特征宏观特征 (1) 断口附近产生断口附近产生塑性变形塑性变形，在变形区附近有，在变形区附近有很多很多裂纹裂纹（断裂机件表面出现（断裂机件表面出现龟

15、裂龟裂现象）；现象）； (2) 由于高温氧化，断口表面被一层由于高温氧化，断口表面被一层氧化膜氧化膜所所覆盖。覆盖。 2、微观特征微观特征 冰糖状花样的冰糖状花样的沿晶断裂沿晶断裂。188-3 8-3 高温力学性能指标及其影响因素高温力学性能指标及其影响因素 一、蠕变极限一、蠕变极限 为了保证高温长时载荷作用下的机件不会产生为了保证高温长时载荷作用下的机件不会产生过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。 1、定义定义 是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标指标。19 2、表达方式表达方式 (1) 在规定温

16、度（在规定温度（t）下，使试样在规定时间内）下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速率产生的稳态蠕变速率 不超过规定值时的最大应力，不超过规定值时的最大应力，用用 表示表示 。 例如：例如：表示表示：在：在600，稳态蠕变速率，稳态蠕变速率 =110-5%/时的时的蠕变极限为蠕变极限为60MPa。MPa606001015t20 (2) 在规定温度（在规定温度（t）与试验时间（）与试验时间（）内，使）内，使试样产生的蠕变总伸长率（试样产生的蠕变总伸长率（）不超过规定值的最）不超过规定值的最大应力。用符号大应力。用符号 表示。表示。 例如：例如：表示表示：材料在：材料在500温度下，温度下，10万小

17、时，蠕变总伸万小时，蠕变总伸长率长率=1%的蠕变极限为的蠕变极限为100MPa。 3、选取选取 选用哪种表示方法，根据服役工况来确定。选用哪种表示方法，根据服役工况来确定。若蠕变速率大而服役时间短，可取若蠕变速率大而服役时间短，可取表示方法。表示方法。反之，服役时间长，则取后一种表示方法。反之，服役时间长，则取后一种表示方法。 MPa10050010/15t/21 4、测试测试 蠕变试验装置，蠕变试验装置，如图所示如图所示。 具体试验时，在同一温度下要用具体试验时，在同一温度下要用4个以上的不个以上的不同应力进行蠕变试验，到规定的时间（数百至数同应力进行蠕变试验，到规定的时间（数百至数千小时）

18、后停止；千小时）后停止； 根据实验结果绘出根据实验结果绘出应力应力-稳态蠕变速率或应力稳态蠕变速率或应力-总伸长率关系曲线总伸长率关系曲线；如图所示如图所示 再用再用内插法或外推法内插法或外推法求蠕变极限。求蠕变极限。 注意注意：用外推法时，蠕变速率只能比最低试：用外推法时，蠕变速率只能比最低试验点的数据低一个数量级；否则，外推值不可靠。验点的数据低一个数量级；否则，外推值不可靠。22 二、持久强度极限二、持久强度极限 1 1、定义、定义 在规定温度（在规定温度（t t）下，达到规定的持续时间）下，达到规定的持续时间（）而不发生断裂的最大应力。用）而不发生断裂的最大应力。用 表示表示。 2 2

19、、选取、选取 对于设计某些在高温运转过程中对于设计某些在高温运转过程中不考虑变形不考虑变形量大小量大小，而，而只考虑在承受给定应力下使用寿命只考虑在承受给定应力下使用寿命的的机件，一般选取持久强度。机件，一般选取持久强度。 如锅炉的过热蒸气管，持久强度极限是很重如锅炉的过热蒸气管，持久强度极限是很重要的性能指标。要的性能指标。t23 3 3、测试、测试 通过高温拉伸持久试验测定。不需要测定样品通过高温拉伸持久试验测定。不需要测定样品的伸长量，只要测定试样在规定时间和应力作用下的伸长量，只要测定试样在规定时间和应力作用下至断裂的时间。至断裂的时间。 对于设计寿命对于设计寿命几百至数千小时的机件几

20、百至数千小时的机件，材料的，材料的持久强度极限可持久强度极限可直接用同样的时间进行试验确定直接用同样的时间进行试验确定。 对于寿命长的机件，使用对于寿命长的机件，使用数万以上小时数万以上小时，不可，不可能长时间做测试，所以类似于蠕变试验，一般做应能长时间做测试，所以类似于蠕变试验，一般做应力较大、时间较短（数百小时）的试验数据，绘出力较大、时间较短（数百小时）的试验数据，绘出直线，通过直线，通过外推法外推法来求持久强度极限。来求持久强度极限。如图所示如图所示24 三、剩余应力三、剩余应力 1、松弛稳定性松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。：金属材料抵抗应力松弛的性能。可通过应力松弛试验测定

21、的应力松弛曲线来评定。可通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。 2、金属的松弛曲线金属的松弛曲线：在规定温度下，对试样施：在规定温度下，对试样施加载荷，保持初始变形恒定，测定试样上的应力随加载荷，保持初始变形恒定，测定试样上的应力随时间延长而降低的曲线。时间延长而降低的曲线。如图所示如图所示 3、剩余应力剩余应力：应力松弛试验中任一时间试样上：应力松弛试验中任一时间试样上所保持的应力，用所保持的应力，用r（以前用（以前用sh）。是评定金属材）。是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。料应力松弛稳定性的指标。 4、松弛应力松弛应力：试样上所减少的应力，即初始应：试样上所减少的应力，即初始应力与剩

22、余应力之差，用力与剩余应力之差，用re表示（以前用表示（以前用so） 。25 对于不同金属材料或同种材料经过不同的热对于不同金属材料或同种材料经过不同的热处理，在相同试验温度和初始应力下，经规定时间处理，在相同试验温度和初始应力下，经规定时间后，后，剩余应力越高，松弛稳定性越好剩余应力越高，松弛稳定性越好。 例如：例如：20Cr1Mo1V1钢广泛应用于气轮机、燃钢广泛应用于气轮机、燃气轮机紧固件，经过不同的热处理工艺（正火、油气轮机紧固件，经过不同的热处理工艺（正火、油淬回火）后的应力松弛曲线（初始应力淬回火）后的应力松弛曲线（初始应力0300MPa）如图所示如图所示。可见，正火工艺的剩余应力

23、。可见，正火工艺的剩余应力高，说明其具有较好的应力松弛稳定性。高，说明其具有较好的应力松弛稳定性。26 四、影响金属高温力学性能的主要因素四、影响金属高温力学性能的主要因素 根据蠕变变形与断裂机理可知，要提高蠕变根据蠕变变形与断裂机理可知，要提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速率，要提高持久强极限，必须控制位错攀移的速率，要提高持久强度极限，必须控制晶界的滑动。度极限，必须控制晶界的滑动。 也就是说要提高金属材料的高温力学性能，也就是说要提高金属材料的高温力学性能，就应就应控制晶内及晶界的原子扩散过程控制晶内及晶界的原子扩散过程。这主要取。这主要取决于合金的化学成分、冶炼工艺、热处理工艺等决于合

24、金的化学成分、冶炼工艺、热处理工艺等因素。因素。27 （一）合金化学成分的影响（一）合金化学成分的影响 位错越过障碍所需的蠕变激活能越高的金属，位错越过障碍所需的蠕变激活能越高的金属，越难产生蠕变变形。越难产生蠕变变形。 实验表明纯金属的实验表明纯金属的蠕变激活能蠕变激活能大约与其大约与其扩散激扩散激活能活能接近，所以接近，所以耐热钢及合金的基体材料一般选用耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。 可加入：可加入：熔点高的熔点高的Me ，含有能形成弥散相的含有能形成弥散相的Me、能增加晶界扩散激活能的能增加晶界扩

25、散激活能的Me（硼、稀土）。（硼、稀土）。详细如下详细如下28 (1) 在基体中加入在基体中加入铬、钼、钨、铌铬、钼、钨、铌等等Me形成单形成单相固溶体，除产生固溶强化外，还因相固溶体，除产生固溶强化外，还因Me使层错能降使层错能降低，易形成扩展位错，且溶质原子与溶剂原子的结低，易形成扩展位错，且溶质原子与溶剂原子的结合力较强，增大了合力较强，增大了扩散激活能扩散激活能，从而，从而提高提高蠕变极限。蠕变极限。 (2) 加入能形成加入能形成弥散相弥散相的的Me，弥散相能强烈阻，弥散相能强烈阻碍位错的滑移，是提高高温强度的有效方法。弥散碍位错的滑移，是提高高温强度的有效方法。弥散相粒子相粒子硬度越

26、高，弥散度越大，稳定性越高硬度越高，弥散度越大，稳定性越高，则，则强强化作用越好化作用越好。 (3) 添加能添加能增加晶界扩散激活能增加晶界扩散激活能的的Me，如，如硼、硼、稀土稀土等，既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹面的等，既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹面的表面能，对提高蠕变极限和持久强度极限有效。表面能，对提高蠕变极限和持久强度极限有效。29 （二）冶炼工艺的影响（二）冶炼工艺的影响 冶炼时：冶炼时：尽量减少夹杂物和某些冶金缺陷尽量减少夹杂物和某些冶金缺陷。 各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，由于钢中的由于钢中的夹杂物夹杂物和和某些冶金缺

27、陷某些冶金缺陷会使材料的持久会使材料的持久强度极限降低。强度极限降低。 高温合金对高温合金对杂质元素及气体含量杂质元素及气体含量要求很严格，要求很严格，即使含量只有十万分之一，当其在晶界偏聚后，会即使含量只有十万分之一，当其在晶界偏聚后，会导致晶界的严重弱化，使热弹性降低。导致晶界的严重弱化，使热弹性降低。 30 （三）热处理工艺的影响（三）热处理工艺的影响 不同钢种其热处理工艺不同不同钢种其热处理工艺不同。 例：例：珠光体耐热钢珠光体耐热钢一般采用正火一般采用正火+高温回火工高温回火工艺，正火温度较高，以促使碳化物充分溶于奥氏体艺，正火温度较高，以促使碳化物充分溶于奥氏体中，回火温度高于使用

28、温度中，回火温度高于使用温度100150，以提高，以提高使用温度下的组织稳定性。使用温度下的组织稳定性。 采用采用形变热处理形变热处理改变晶界的形状，形成锯齿状，改变晶界的形状，形成锯齿状，并在晶内形成多边化的亚晶界，则可使合金进一步并在晶内形成多边化的亚晶界，则可使合金进一步强化。强化。31 （四）晶粒度的影响（四）晶粒度的影响 使用温度使用温度低于等强温度低于等强温度时，时，细晶粒钢有较高的细晶粒钢有较高的强度强度； 使用温度使用温度高于等强温度高于等强温度时，时，粗晶粒钢有较高的粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持久强度极限蠕变极限和持久强度极限，但晶粒太大会降低高温，但晶粒太大会降低高温下的塑

29、性与韧性。随合金成分及工作条件不同下的塑性与韧性。随合金成分及工作条件不同有一有一最佳晶粒度范围最佳晶粒度范围； 晶粒度不均匀，会显著降低其高温性能晶粒度不均匀，会显著降低其高温性能，这是，这是由于在大小晶粒交界处易产生应力集中形成裂纹。由于在大小晶粒交界处易产生应力集中形成裂纹。328-4 8-4 其他高温力学性能其他高温力学性能 一、高温短时拉伸性能一、高温短时拉伸性能 （火箭、导弹发射）（火箭、导弹发射） 瞬时高温强度；热塑性；蠕变不起决定作用时。瞬时高温强度；热塑性；蠕变不起决定作用时。 二、高温硬度二、高温硬度 工具材料（红硬性），高温轴承。工具材料（红硬性），高温轴承。 测高温硬度的压头。测高温硬度的压头。33高温力学性能与室温力学性能的对比高温力学性能与室温力学性能的对比 高高 温温 室室 温温性能特点：性能特点： b b=f(t, ) =f(t, ) b b=C, =C, =C=C 蠕变，应力松驰，蠕变，应力松驰， 蠕变与疲劳的交互作用蠕变与疲劳的交互作用变形机制：变形机制： 不会产生孪晶；滑移不会产生孪晶；滑移 晶内滑移和孪晶晶内滑移和孪晶 晶界起主要作用晶界起主要作用 晶界起阻碍作用晶界起阻碍作用提高力学性能：提高力学性能： 增