第8章金属高温力学性能

1、1第第8章章 金属高温力学性能金属高温力学性能8.1 金属的蠕变现象8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理8.3 金属高温力学性能指标及影响因素28.1 金属的蠕变现象金属的蠕变现象 蠕变：蠕变：材料在长时间的恒温、恒载荷作用材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。下缓慢地产生塑性变形的现象。由于这种高温蠕变变形导致的断裂，称为由于这种高温蠕变变形导致的断裂，称为蠕变断裂蠕变断裂。3 金属的蠕变过程可用蠕变曲线蠕变曲线来描述。8.1 金属的蠕变现象金属的蠕变现象按蠕变速率的变化，曲线可按蠕变速率的变化，曲线可以分为三个阶段：以分为三个阶段：第一阶段：第一阶段：ab 减速蠕变阶段，减速

2、蠕变阶段，又称过渡蠕变阶段；又称过渡蠕变阶段；第二阶段：第二阶段：bc 恒速蠕变阶段，恒速蠕变阶段，又称稳态蠕变阶段；又称稳态蠕变阶段；第三阶段：第三阶段：cd 加速蠕变阶段。加速蠕变阶段。4 同一材料的蠕变曲线随着温度高低及应力的大小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，见下图：而有不同，见下图：8.1 金属的蠕变现象金属的蠕变现象应力较小、温度较低时：应力较小、温度较低时：蠕变的恒速蠕变阶段持续时间长，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；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：蠕变恒速蠕变阶段持续时间短，甚蠕变恒速蠕变阶段持续时间

3、短，甚至消失，试样在短时间内断裂，主要为加速蠕变。至消失，试样在短时间内断裂，主要为加速蠕变。58.2 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、原子扩散等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。机理进行，与温度及应力的变化有关。 （一）位错滑移蠕变（一）位错滑移蠕变 （二）扩散蠕变（二）扩散蠕变6 （一）位错滑移蠕变（一）位错滑移蠕变8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理外来热激活能有利外来热激活能有利于加强位错的运动于加强位错的运动（滑移、攀移、交（滑移、攀移、交滑移等）

4、，克服短滑移等），克服短程障碍。程障碍。材料发生塑性变材料发生塑性变形。形。78.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理 （二）扩散蠕变（二）扩散蠕变 约比温度约比温度0.5 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。8 承受拉应力（承受拉应力（A、B晶界）晶界）的晶界，空位浓度的晶界，空位浓度减小减小； 承受压应力（承受压应力（C、D晶界）晶界）的晶界，空位浓度的晶界，空位浓度增加增加。 这种晶体内空位从受拉晶这种晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移，原子界向受压晶界迁移，原子朝相

5、反方向运动，使得晶朝相反方向运动，使得晶体伸长的蠕变，称为体伸长的蠕变，称为扩散扩散蠕变蠕变。8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理9 二、蠕变断裂机理二、蠕变断裂机理 1、裂纹萌生、裂纹萌生 （1）三晶粒交会处萌生楔形裂纹（高应力，低温）三晶粒交会处萌生楔形裂纹（高应力，低温度）度） 晶界滑动，三晶粒交会处造成应力集中，形成空晶界滑动，三晶粒交会处造成应力集中，形成空洞，空洞相互连接，便形成楔形裂纹。洞，空洞相互连接，便形成楔形裂纹。 8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理10 （2 2）晶界上空洞汇聚（低应力、高温度）晶界上空洞汇聚（低应力、高温度） 相变形成空

6、洞，第二相质点附近，晶界滑动相变形成空洞，第二相质点附近，晶界滑动产生的空洞；空洞长大，汇聚形成裂纹。产生的空洞；空洞长大，汇聚形成裂纹。 8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理118.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理 2 2、裂纹扩展、裂纹扩展 3 3、断裂、断裂 沿界断裂，高温氧化，夹杂物。沿界断裂，高温氧化，夹杂物。 断口宏观特征：断口附近产生塑性变形；变断口宏观特征：断口附近产生塑性变形；变形区域有很多裂纹（龟裂）；高温氧化。形区域有很多裂纹（龟裂）；高温氧化。 断口微观特征：冰糖状花样的沿晶断裂形貌。断口微观特征：冰糖状花样的沿晶断裂形貌。128.3 高

7、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产生过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。蠕变极限。 是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。抗力指标。138.3 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 (1) 在规定温度（在规定温度（t）下，使试样在规定时间内产）下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速率不超过规定值时的最大应力。生的稳态蠕变速率不超过规定值时的最大应力。 (2) 在规定温度

8、与试验时间内，使试样产生的蠕变在规定温度与试验时间内，使试样产生的蠕变总伸长率不超过规定值的最大应力。总伸长率不超过规定值的最大应力。MPa606001015指：在600，=110-5%时的蠕变极限。MPa10050010/15指：500，10万小时，=1%的蠕变极限。148.3 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158.3 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 二、持久强度极限二、持久强度极限 定义：定义：高温长载荷作用下的断裂强度，金属材料的高温长载荷作用下的断裂强度，金属材料的持久强度极限，是在规定的持续时间内不发生断裂持久强度极限，是在规定的持

9、续时间内不发生断裂的最大应力的最大应力。 试验时，规定试验时间以机组的设计寿命为依据。试验时，规定试验时间以机组的设计寿命为依据。 对于设计某些在高温工作时不考虑变形量的大小，对于设计某些在高温工作时不考虑变形量的大小，只考虑在给定应力下使用寿命的机件，如锅炉的过只考虑在给定应力下使用寿命的机件，如锅炉的过热蒸气管，持久强度极限是很重要的性能指标热蒸气管，持久强度极限是很重要的性能指标。t168.3 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17 三、剩余应力三、剩余应力 金属材料抵抗应力松弛的金属材料抵抗应力松弛的性能称为性能称为松弛稳定性松弛稳定性，可，可通过应力松弛试验测定

10、应通过应力松弛试验测定应力松弛曲线来评定。力松弛曲线来评定。 金属的松弛曲线：金属的松弛曲线：指规定指规定温度下对试样施加载荷，温度下对试样施加载荷，保持初始变形量恒定，测保持初始变形量恒定，测定试样上的定试样上的应力随着时间应力随着时间而降低的曲线而降低的曲线，见图。，见图。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应力松弛试验中，应力松弛试验中，任一时间试样上所任一时间试样上所保持的应力，称为保持的应力，称为剩余应力剩余应力。188.3 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，经规定时间后，剩余应力越高，松弛验温度和初始应力下，经规定时间后，剩余应力越高，松弛稳定性越好。稳定性越好。198.3 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 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 （一）合金化学成分的影响（一）合金化学成分的影响 （二）冶炼工艺的影响（二）冶炼工艺的影响 （三）热处理工艺的影响（三）热处理工艺的影响 （四）晶粒度的影响（四）晶粒度的影响20高温力学性能与室温力学性