材料力学性能_第七章

1、第七章第七章 材料在高温条件下的力学性能材料在高温条件下的力学性能材料力学性能材料力学性能Company L第七章第七章 材料在高温条件下的力学性能材料在高温条件下的力学性能2 在航空航天、能源化工等工业领域，许多构件是在航空航天、能源化工等工业领域，许多构件是在高温下长期服役的在高温下长期服役的，如发动机、锅炉、炼油设备等，如发动机、锅炉、炼油设备等，它们对材料的高温力学性能提出了很高的要求。正确它们对材料的高温力学性能提出了很高的要求。正确地评价材料、合理地使用材料、研究新的地评价材料、合理地使用材料、研究新的耐高温材料耐高温材料，成为上述工业发展和材料科学研究的重要任务之一。成为上述工业

2、发展和材料科学研究的重要任务之一。 以航空发动机为例，以航空发动机为例，目前正朝着目前正朝着推力大、耗能低、推力大、耗能低、推重比高和使用寿命长推重比高和使用寿命长的方向发展。这就要求的方向发展。这就要求提高压提高压气机增压比和涡轮前的进口温度气机增压比和涡轮前的进口温度等措施来实现，需等措施来实现，需采采用良好高温性能的材料制造涡轮盘、叶片等构件用良好高温性能的材料制造涡轮盘、叶片等构件。很。很明显，材料的明显，材料的高温性能高温性能是制约上述发展的重要因素。是制约上述发展的重要因素。Company L第七章第七章 材料在高温条件下的力学性能材料在高温条件下的力学性能3Company L7-

3、1 7-1 材料在高温下力学性能的特点材料在高温下力学性能的特点7-2 7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制7-3 7-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标4第七章第七章 材料在高温条件下的力学性能材料在高温条件下的力学性能7-4 7-4 影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素7-5 7-5 金属蠕变与疲劳的交互作用金属蠕变与疲劳的交互作用Company L5 温度温度对材料的力学性能影响很大，而且对材料的力学性能影响很大，而且不同材料不同材料的力学性能随温度变化的规律不同。的力学性能随温度变化的规律不同。金属材料：随着金属材料：随着 温度温度

4、 T 的升高的升高-v强度降低。强度降低。不同温度静拉伸试验发现，不同温度静拉伸试验发现，随试验温度升高，屈服平台消随试验温度升高，屈服平台消失失，而且，而且材料所能承受的最大载荷也降低材料所能承受的最大载荷也降低。v塑性增大塑性增大在高温条件下，影响材料机械性能的因素增多，不仅温度在高温条件下，影响材料机械性能的因素增多，不仅温度有影响，应变速度，断裂所需时间也有影响。有影响，应变速度，断裂所需时间也有影响。7-1 材料在高温下力学性能的特点材料在高温下力学性能的特点Company L6影响高温强度的因素 b= f (t，v)1、温度、温度 例如，蒸汽锅炉及化工设备中的一些高温高压管例如，蒸

5、汽锅炉及化工设备中的一些高温高压管道，虽然道，虽然所承受的应力小于该工作温度下材料的屈所承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度服强度，但在长期使用过程中会产生缓慢而连续的但在长期使用过程中会产生缓慢而连续的塑性变形（蠕变现象）塑性变形（蠕变现象），使管径逐渐增大。，使管径逐渐增大。 如果设计、选材不当或使用疏忽，将导致管道破如果设计、选材不当或使用疏忽，将导致管道破裂。裂。7-1 材料在高温下力学性能的特点材料在高温下力学性能的特点Company L7 温度的高低，是相对金属的熔点而言。故采用温度的高低，是相对金属的熔点而言。故采用约比温度约比温度“T/TT/Tmm”。p 当当T/TT/Tm

6、m0.50.5时为时为“高高”温；温；p 当当T/TT/Tmm0.50.5时为时为“低低”温。温。 对于不同的金属材料，在同样约比温度下，其对于不同的金属材料，在同样约比温度下，其蠕变行为相似，因而力学性能的变化规律也相同。蠕变行为相似，因而力学性能的变化规律也相同。7-1 材料在高温下力学性能的特点材料在高温下力学性能的特点Company L82、时间、时间 高温下的钢的抗拉强度也随载荷持续时间的增长高温下的钢的抗拉强度也随载荷持续时间的增长而降低。而降低。以以20钢为例：钢为例：在在450时的短时抗拉强度为时的短时抗拉强度为320MPa，当试样承受当试样承受225MPa的应力时，持续的应力

7、时，持续300h便断裂；当便断裂；当试样承受试样承受115MPa的应力时，持续的应力时，持续10000h断裂。断裂。 在高温短时载荷作用下，金属的塑性增加；在高温短时载荷作用下，金属的塑性增加；在高在高温长时载荷作用下，塑性却显著降低，缺口敏感性温长时载荷作用下，塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈脆性断裂。增加，往往呈脆性断裂。7-1 材料在高温下力学性能的特点材料在高温下力学性能的特点Company L9此外，此外，温度和时间的联合作用温度和时间的联合作用还影响金属的断裂路径。还影响金属的断裂路径。p 随着试验温度的升高，金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂过渡到沿晶断裂。p 原因在于温度升

8、高时晶粒强度和晶界强度都要降低，但晶界强度下降较快所致。其中，晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”，用TE表示。7-1 材料在高温下力学性能的特点材料在高温下力学性能的特点Company L103 3、变形速率、变形速率变形速率越大，晶粒与晶界的高强温度越低。变形速率越大，晶粒与晶界的高强温度越低。由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶粒的大得多，因此等强温度随变形速率增加而升高。7-1 材料在高温下力学性能的特点材料在高温下力学性能的特点Company L117-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制v蠕变（蠕变（Creep） 材料在材料在长时间长时间的的恒温恒温、恒载荷

9、恒载荷作用下作用下缓慢缓慢地产生地产生塑性变形塑性变形的现象。的现象。v蠕变断裂蠕变断裂 由于蠕变变形而最后导致的材料断裂。由于蠕变变形而最后导致的材料断裂。7.2.1 金属蠕变的宏观规律金属蠕变的宏观规律Company L127-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的温度蠕变的温度v在应力作用下，蠕变可以发生在在应力作用下，蠕变可以发生在任何温度任何温度。v低温时，蠕变效应不明显，可以不考虑。低温时，蠕变效应不明显，可以不考虑。vT=0.30.7Tm时，蠕变效应比较显著，此时需要时，蠕变效应比较显著，此时需要考虑蠕变的影响。因此，考虑蠕变的影响。因此，工程上工程上把把T=

10、0.30.7Tm的温度确定为明显蠕变的温度。的温度确定为明显蠕变的温度。v不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。例如：例如：碳碳素钢超过素钢超过350、合金钢超过、合金钢超过400就出现蠕变效就出现蠕变效应，而应，而高熔点的陶瓷材料在高熔点的陶瓷材料在1100以上也不发生以上也不发生明显蠕变。明显蠕变。Company L137-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变过程蠕变过程-蠕变曲线蠕变曲线瞬时应变瞬时应变蠕变速率蠕变速率蠕变蠕变断裂断裂Company L147-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制v第第 I 阶段：阶段：

11、AB段，段，减速蠕变减速蠕变阶段阶段(过渡蠕变阶段过渡蠕变阶段)。开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕变速开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕变速率逐渐减小，到率逐渐减小，到B点，蠕变速率达到最小值；点，蠕变速率达到最小值；v第第阶段：阶段：BC段，段，恒速蠕变恒速蠕变阶段阶段(稳态蠕变阶段稳态蠕变阶段)。特点是蠕变速率几乎不变。特点是蠕变速率几乎不变。一般可以表示为材料一般可以表示为材料的蠕变速率的蠕变速率。v第第阶段：阶段：CD段，段，加速蠕变加速蠕变阶段阶段(失稳蠕变阶段失稳蠕变阶段)，随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，到随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，到D点发点发生蠕变断裂。生蠕

12、变断裂。Company L157-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制v不同材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的，同一不同材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的，同一种材料的蠕变曲线也随应力和温度的变化而不同。种材料的蠕变曲线也随应力和温度的变化而不同。 7.2.2 蠕变变形机理蠕变变形机理 材料在高温下加载后，要伴随材料在高温下加载后，要伴随一定量的瞬时变一定量的瞬时变形，包括弹性变形和塑性变形形，包括弹性变形和塑性变形。在机理上，瞬时。在机理上，瞬时变形与常温的弹、塑性变形相似，变形与常温的弹、塑性变形相似，弹性变形由正弹性变形由正应力作用产生，塑性变形主要由切应力作用产生应力作

13、用产生，塑性变形主要由切应力作用产生。随后产生的随后产生的蠕变变形取决于温度和应力的共同作蠕变变形取决于温度和应力的共同作用用，与常温塑性变形有所不同。，与常温塑性变形有所不同。7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制 1）在常温下变形时，若滑移面上位错受阻而产生塞积）在常温下变形时，若滑移面上位错受阻而产生塞积现象，滑移便不能继续进行，而使变形难以继续进行。现象，滑移便不能继续进行，而使变形难以继续进行。但在高温蠕变条件下，由于但在高温蠕变条件下，由于热激活作用热激活作用，可使滑移面，可使滑移面上塞积的位错进行上塞积的位错进行攀移攀移，形成，形成小角度亚晶界小角度亚晶界（位错

14、多（位错多边化），从而导致金属材料软化，软化过程消除了加边化），从而导致金属材料软化，软化过程消除了加工硬化作用，使滑移重新开动，变形继续进行。工硬化作用，使滑移重新开动，变形继续进行。由此，由此，位错滑移对蠕变有显著贡献，但位错滑移对蠕变有显著贡献，但蠕变速度则受位错攀蠕变速度则受位错攀移过程所控制移过程所控制。而且，位错滑移导致加工硬化，是硬。而且，位错滑移导致加工硬化，是硬化过程，而位错攀移是软化过程。化过程，而位错攀移是软化过程。2）在常温下晶界变形极不明显，可忽略不计。）在常温下晶界变形极不明显，可忽略不计。但但在高在高温蠕变条件下，由于晶界强度降低，其变形量很大，温蠕变条件下，由于

15、晶界强度降低，其变形量很大，有时甚至占总蠕变变形量的一半有时甚至占总蠕变变形量的一半，这是蠕变变形的重，这是蠕变变形的重要特点之一。要特点之一。7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制 鉴于蠕变变形是涉及晶体内位错运动、晶鉴于蠕变变形是涉及晶体内位错运动、晶界变形、原子扩散等多种复杂的过程，下面分界变形、原子扩散等多种复杂的过程，下面分别阐述相应过程的蠕变变形机制。别阐述相应过程的蠕变变形机制。(1) 位错滑移蠕变机理位错滑移蠕变机理 在高温下，由于温度升高，给原子和在高温下，由于温度升高，给原子和空位提供了热激活的可能，使得位错可以克服空位提供了热激活的可能，使得位错可以克服

16、某些障碍得以运动（某些障碍得以运动（可动性提高可动性提高），能继续产），能继续产生塑性变形。位错的热激活方式有：生塑性变形。位错的热激活方式有：刃型位错刃型位错的攀移、螺型位错的交滑移、位错环的分解的攀移、螺型位错的交滑移、位错环的分解等。等。7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制刃型位错克服障碍的几种模型：刃型位错克服障碍的几种模型：被塞积的位被塞积的位错数量减少，错数量减少，位错源可重位错源可重新开动，位新开动，位错得以增殖错得以增殖和运动，产和运动，产生蠕变变形。生蠕变变形。7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制v蠕变第蠕变第 I 阶段：阶段：由于由于

17、蠕变变形逐渐产生的蠕变变形逐渐产生的形变硬化形变硬化，使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低使蠕变速率不断降低，因此，因此形成了减速蠕变阶段。形成了减速蠕变阶段。v蠕变第蠕变第 阶段：由于阶段：由于形变硬化的不断发展，促进了形变硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，使材料不断软化。当动态回复的发生，使材料不断软化。当形变硬化和回形变硬化和回复软化达到动态平衡复软化达到动态平衡时，蠕变速率遂为一常数，因此时，蠕变速率遂为一常数，因此形成了恒速蠕变阶段。形成了恒速蠕变阶段。v蠕变第蠕变第 阶段：阶段：空洞空洞（可从第二阶段形成

18、）（可从第二阶段形成）长大、长大、连接连接形成形成裂纹裂纹而迅速扩展，致使蠕变速度加快，直至而迅速扩展，致使蠕变速度加快，直至裂纹达到裂纹达到临界尺寸临界尺寸而产生蠕变断裂。而产生蠕变断裂。7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制（2）扩散蠕变机理）扩散蠕变机理 在在较高温度较高温度下，原子和空位可以发生热激活下，原子和空位可以发生热激活扩散，在不受外力的情况下，它们的扩散是随机扩散，在不受外力的情况下，它们的扩散是随机的，在宏观上没有表现。的，在宏观上没有表现。 但在高温时有但在高温时有外力外力作用下，晶体内部产生作用下，晶体内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同的位置具有不

19、不均匀应力场，原子和空位在不同的位置具有不同的势能，它们会由高势能位向低势能位进行同的势能，它们会由高势能位向低势能位进行( (应力诱导应力诱导) )。7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制扩散蠕变机理示意图扩散蠕变机理示意图拉应力作用下：拉应力作用下：p 晶界上的空位势能发生变化，晶界上的空位势能发生变化，垂直于拉应力轴垂直于拉应力轴的晶界的晶界(图中图中A、B晶界晶界)处于处于高势能态高势能态，平行于拉平行于拉应力轴应力轴的晶界的晶界(图中图中C、D晶界晶界)处处于于低势能态低势能态。导致空位由势能高。导致空位由势能高的的A、B晶界向势能低的晶界向势能低的C、D晶晶界扩散

20、。界扩散。 的扩散引起的扩散引起原子原子向相反的向相反的方向扩散，从而引起晶粒沿拉伸方向扩散，从而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩，致使晶体产生收缩，致使晶体产生蠕变变形蠕变变形。7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制（3）晶界滑动蠕变机理）晶界滑动蠕变机理 晶界在外力作用下，会发生相对滑动变晶界在外力作用下，会发生相对滑动变形，但在形，但在常温下晶界变形极不明显，常温下晶界变形极不明显，可以忽可以忽略不计。略不计。 在高温蠕变条件下，在高温蠕变条件下，由于晶界强度降低，由于晶界强度降低，晶界的相对滑动引起的变形量很大晶界的相对滑动引

21、起的变形量很大，有时甚有时甚至占总蠕变变形量的一半，从而产生至占总蠕变变形量的一半，从而产生明显的明显的蠕变变形。蠕变变形。 7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制晶界滑动示意图晶界滑动示意图 晶格畸变区晶格畸变区 晶粒晶粒1晶粒晶粒2晶粒晶粒1晶粒晶粒27-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制晶界变形晶界变形-晶界滑动和迁移晶界滑动和迁移7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制v晶界的变形是由晶界的变形是由晶界的滑动和迁移晶界的滑动和迁移交替进行交替进行的过程。的过程。v晶界的滑动对变形产生直接的影响，晶界的滑动对变形产生直接的影响，晶界的晶

22、界的迁移迁移虽不提供变形量，但它能虽不提供变形量，但它能消除由于晶界消除由于晶界滑动而在晶界附近产生的晶格畸变区，为晶滑动而在晶界附近产生的晶格畸变区，为晶界的进一步滑动创造条件界的进一步滑动创造条件。v因此，可以认为因此，可以认为晶界滑动晶界滑动是是硬化硬化过程，而过程，而晶晶界迁移界迁移是是软化软化过程。过程。 7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制7.2.3 蠕变断裂机理蠕变断裂机理蠕变断裂的两种情况：蠕变断裂的两种情况：v不含裂纹的高温构件，在高温长期服役过程不含裂纹的高温构件，在高温长期服役过程中，由于中，由于蠕变裂纹蠕变裂纹相对均匀地相对均匀地在构件内部在构件内部

23、萌萌生和扩展生和扩展，最终在应力和温度共同作用下导，最终在应力和温度共同作用下导致断裂；致断裂；v在高温工程机件中，原来就存在裂纹或类似在高温工程机件中，原来就存在裂纹或类似裂纹的缺陷，其断裂是由裂纹的缺陷，其断裂是由主裂纹的扩展所致主裂纹的扩展所致。7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制断裂方式：断裂方式：晶间断裂晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，是蠕变断裂的普遍形式，高温高温低应力低应力下情况更是如此。下情况更是如此。等强温度：等强温度：晶界和晶内强度相等晶界和晶内强度相等的温度。的温度。因为温度升高，多晶体晶内及晶因为

24、温度升高，多晶体晶内及晶界强度都随之降低，但后者降低界强度都随之降低，但后者降低速率更快，造成高温下晶界的相速率更快，造成高温下晶界的相对强度较低的缘故。对强度较低的缘故。随应变速度下降，等强温度降随应变速度下降，等强温度降低，从而使晶界断裂倾向增大。低，从而使晶界断裂倾向增大。 两种晶界断裂模型：两种晶界断裂模型：v晶界滑动和应力集中模型晶界滑动和应力集中模型 在蠕变温度下，持续的在蠕变温度下，持续的恒载将导致位于最大切应力恒载将导致位于最大切应力方向的晶界滑动，这种滑动方向的晶界滑动，这种滑动必然在必然在三晶粒交界处三晶粒交界处形成形成应应力集中力集中，如果这种应力集中，如果这种应力集中不

25、能被滑动晶界前方晶粒的不能被滑动晶界前方晶粒的塑性变形或晶界的迁移所松塑性变形或晶界的迁移所松弛，当应力集中达到晶界的结合强度时，在三晶粒交界处弛，当应力集中达到晶界的结合强度时，在三晶粒交界处必然发生开裂，形成楔形必然发生开裂，形成楔形空洞或裂纹空洞或裂纹。应力集中应力集中裂纹裂纹7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制p 空位聚集模型空位聚集模型 由于晶界滑动和晶内滑移可能由于晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形成交截在晶界形成交截，使，使晶界曲折，晶界曲折，曲折的晶界曲折的晶界和和晶界夹杂物晶界夹杂物阻碍了晶界的阻碍了晶界的滑动，引起滑动，引起应力集中应力集中，导致空洞形成。，

26、导致空洞形成。7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制 以上两种机制都要经历以上两种机制都要经历空洞稳定长大而形成空洞稳定长大而形成微裂纹微裂纹到到裂纹不稳定扩展而断裂裂纹不稳定扩展而断裂的过程。并且，的过程。并且，在不同的应力和温度下，两种机制占有不同的在不同的应力和温度下，两种机制占有不同的主导地位。一般地，主导地位。一般地，晶界滑动机制主导的蠕变晶界滑动机制主导的蠕变断裂发生在中等温度和较高应力水平的条件下断裂发生在中等温度和较高应力水平的条件下；而而空位聚集机制主导的断裂发生在较高温度和空位聚集机制主导的断裂发生在较高温度和较低应力水平的条件下较低应力水平的条件下。7-

27、2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制温度对断裂机制的影响温度对断裂机制的影响v温度低时，金属材料通常发生滑移引起的解理断温度低时，金属材料通常发生滑移引起的解理断裂或晶间断裂裂或晶间断裂，这属于一种脆性断裂方式，其断裂，这属于一种脆性断裂方式，其断裂应变小，即使在较高应力下，多晶体在发生整体屈应变小，即使在较高应力下，多晶体在发生整体屈服后再断裂，断裂应变一般也不会超过服后再断裂，断裂应变一般也不会超过 10。v温度温度高于韧脆转变温度时，断裂方式从脆性解理高于韧脆转变温度时，断裂方式从脆性解理和晶间断裂转变为韧性穿晶断裂和晶间断裂转变为韧性穿晶断裂。它通常是。它通常是通过在通

28、过在第二相界面上空洞生成、长大和连接的方式发生的，第二相界面上空洞生成、长大和连接的方式发生的，断口的典型特征是韧窝断口的典型特征是韧窝。7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制v应力高时，由空洞长大的断裂方式会瞬时发应力高时，由空洞长大的断裂方式会瞬时发生，生，“不属于不属于” 蠕变断裂；蠕变断裂；v应力应力较低较低( (温度相对较高温度相对较高) )时，时，空洞由于缓慢空洞由于缓慢蠕变而长大，最终导致蠕变断裂蠕变而长大，最终导致蠕变断裂。这种断裂往。这种断裂往往伴随有较大的断裂应变。往伴随有较大的断裂应变。应力对断裂机制的影响应力对断裂机制的影响7-2 蠕变的宏观规律及蠕变

29、机制蠕变的宏观规律及蠕变机制v 较低较低应力应力和较高和较高温度温度下，通过在下，通过在晶界空位晶界空位聚集形成空洞聚集形成空洞和和空洞长大空洞长大的方式发生晶界的方式发生晶界蠕变断裂；蠕变断裂；v这种断裂是由扩散控制的，这种断裂是由扩散控制的，低温低温下由空位下由空位扩散导致的这种断裂过程十分缓慢，实际扩散导致的这种断裂过程十分缓慢，实际上难以观察到最终断裂的发生。上难以观察到最终断裂的发生。7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制v高温高应力高温高应力下，在下，在强烈变形部位强烈变形部位将迅速发将迅速发生回复、再结晶，晶界能够通过扩散发生迁生回复、再结晶，晶界能够通过扩散发

30、生迁移，即使在晶界上形成空洞，移，即使在晶界上形成空洞，空洞也难以继空洞也难以继续长大续长大，因为空洞的长大主要是依靠空位沿，因为空洞的长大主要是依靠空位沿晶界不断向空洞处扩散的方式完成的，而晶界不断向空洞处扩散的方式完成的，而晶晶界的迁移能够终止空位沿晶界的扩散界的迁移能够终止空位沿晶界的扩散，结果，结果蠕变断裂以类似于试样被拉断的蠕变断裂以类似于试样被拉断的“颈缩颈缩”的的方式进行。（方式进行。（材料塑化材料塑化）7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制金属材料蠕变断裂断口的特征金属材料蠕变断裂断口的特征v宏观特征：宏观特征： 一是在断口附近产生塑性变形，在变形一是在断口附

31、近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂构件表面出现区域附近有很多裂纹，使断裂构件表面出现龟裂现象龟裂现象；二是由于高温氧化，断口表面往；二是由于高温氧化，断口表面往往被一层往被一层氧化膜氧化膜所覆盖。所覆盖。v微观特征：微观特征： 主要是主要是冰糖状花样的沿晶断裂冰糖状花样的沿晶断裂。7-2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制Company L377-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标7.3.1 蠕变极限蠕变极限v高温服役的构件在其服役期内，不允许产生高温服役的构件在其服役期内，不允许产生过量的蠕变变形，否则将引起构件的早期失过量的蠕变变形，否则将引起构件的早

32、期失效。因此，效。因此，为保证高温长期载荷作用下的构为保证高温长期载荷作用下的构件不致产生过量变形，要求材料须具有一定件不致产生过量变形，要求材料须具有一定的蠕变极限。的蠕变极限。v蠕变极限：蠕变极限：反映长期载荷作用下的材料对高反映长期载荷作用下的材料对高温蠕变变形的抗力。温蠕变变形的抗力。它是选用高温材料、设它是选用高温材料、设计高温下服役机件的主要依据之一。计高温下服役机件的主要依据之一。Company L387-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标p在给定温度下，使试样在在给定温度下，使试样在蠕变第二阶段产生蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率规定稳态蠕变速率的最大应力定义为蠕变极

33、的最大应力定义为蠕变极限。限。 记作：记作： T：温度（：温度（）；）； ：第二阶段的稳态蠕变速率（：第二阶段的稳态蠕变速率（h）。）。 蠕变极限的两种表示方法：蠕变极限的两种表示方法：)(MPaT.Company L397-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标例如：例如： 表示在表示在 500的条件下，第二阶段的稳态蠕的条件下，第二阶段的稳态蠕变速率变速率1 105h 的应力值为的应力值为 80MPa。 即：蠕变极限即：蠕变极限80 MPa 在高温下长期服役的构件，如在汽轮机、电站在高温下长期服役的构件，如在汽轮机、电站锅炉的设计中，常把蠕变速率锅炉的设计中，常把蠕变速率1 10-5

34、/h的应的应力定义为力定义为蠕变极限蠕变极限，作为选材和机件设计的依据。，作为选材和机件设计的依据。MPa805001015Company L407-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标p 在给定温度和时间的条件下，使试样产生在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定的蠕变应变量规定的蠕变应变量的最大应力定义为蠕变极的最大应力定义为蠕变极限。限。 记作：记作：T：表示实验温度（：表示实验温度（） t：表示在给定的时间表示在给定的时间 t (h)内产生的蠕变内产生的蠕变应变为应变为 （%）MPaTt /Company L417-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标例如：例如：表示在

35、表示在 600，10万小时后，蠕变应变量万小时后，蠕变应变量 1的应力值为的应力值为100MPa。即：蠕变极限即：蠕变极限100 MPaMPa10060010/15Company L427-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标p 对于按稳态蠕变速率定义的蠕变极限，其测对于按稳态蠕变速率定义的蠕变极限，其测定程序为：定程序为：在同一温度、不同应力下进行蠕变实验，测出在同一温度、不同应力下进行蠕变实验，测出不少于不少于 4 条的蠕变曲线；条的蠕变曲线；求出各应力下蠕变曲线第二阶段直线部分的斜求出各应力下蠕变曲线第二阶段直线部分的斜率，即为相应的稳态蠕变速率；率，即为相应的稳态蠕变速率；稳态

36、蠕变速率稳态蠕变速率=规定的稳态蠕变速率所对应的应规定的稳态蠕变速率所对应的应力值即为蠕变极限。力值即为蠕变极限。蠕变极限测试：蠕变极限测试：Company L437-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标nA同一温度下，蠕变速率同一温度下，蠕变速率 与外加应力与外加应力 之间之间存在下列经验关系：存在下列经验关系：A和和n是与材料及实验条件有关的常数。是与材料及实验条件有关的常数。对于单相合金，对于单相合金，n=36。.Company L447-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标12Cr1MoV钢的钢的 曲线曲线.Company L457-3 金属高温力学性能指标金属高温力学

37、性能指标7.3.2 持久强度持久强度v某些在高温下工作的构件，蠕变变形很小或对变某些在高温下工作的构件，蠕变变形很小或对变形要求不严格，只要求构件在使用期内不发生断形要求不严格，只要求构件在使用期内不发生断裂。如裂。如锅炉、管道等零件在服役中基本上不考虑锅炉、管道等零件在服役中基本上不考虑变形、原则上只要求保证在规定条件下不破坏。变形、原则上只要求保证在规定条件下不破坏。在这种情况下，要用在这种情况下，要用能反映蠕变断裂抗力的指标能反映蠕变断裂抗力的指标作为评价材料、设计机件的主要依据。作为评价材料、设计机件的主要依据。v持久强度：持久强度： 材料在一定温度下和规定的时间内，不发生蠕变材料在一

38、定温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力（发生蠕变断裂的最小应力）。断裂的最大应力（发生蠕变断裂的最小应力）。 记作：记作：)(MPaTtCompany L467-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标表示在表示在 700时，经时，经1000h后才发生后才发生断裂的应力为断裂的应力为30 MPa。即即持久强度持久强度=30 MPa。例如：例如：MPa307001013Company L477-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标v所谓所谓规定时间规定时间是以零件设计时的工作寿命为是以零件设计时的工作寿命为依据的，对于有些重要的零件，例如航空发依据的，对于有些重要的零件，例

39、如航空发动机的涡轮盘、叶片等，不仅要求材料具有动机的涡轮盘、叶片等，不仅要求材料具有一定的蠕变极限，同时也要求材料具有一定一定的蠕变极限，同时也要求材料具有一定的持久强度，两者都是设计的重要依据。的持久强度，两者都是设计的重要依据。v材料的持久强度是实验测定的，材料的持久强度是实验测定的，持久强度实持久强度实验验时间通常比蠕变极限实验要长得多，根据时间通常比蠕变极限实验要长得多，根据设计要求，持久强度实验最长可达几万设计要求，持久强度实验最长可达几万 几几十万小时。十万小时。Company L487-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标由于实际高温构件所要求的持久强度由于实际高温构件所

40、要求的持久强度一般要求几千到一般要求几千到几万小时几万小时，较长者可达几万至几十万小时。实际上持，较长者可达几万至几十万小时。实际上持久强度是不宜直接测定的，一般要通过内插或外推方久强度是不宜直接测定的，一般要通过内插或外推方法确定。所以，法确定。所以，在多数情况下，实际的持久强度值是在多数情况下，实际的持久强度值是利用短时寿命（如几十或几百，最多是几千小时）数利用短时寿命（如几十或几百，最多是几千小时）数据的外推来估计的据的外推来估计的。实验表明：金属材料在给定温度下，持久应力实验表明：金属材料在给定温度下，持久应力 和断和断裂时间（断裂寿命）裂时间（断裂寿命）t 可用下列经验公式表示：可用

41、下列经验公式表示：A， 为与实验温度、材料特性有关的常数。为与实验温度、材料特性有关的常数。 AtCompany L497-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标Company L507-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标持久强度曲线及其转折现象示意图持久强度曲线及其转折现象示意图一种高温用钢一种高温用钢550的持久强度曲线的持久强度曲线Company L517-3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标7.3.3 持久塑性持久塑性 通过持久强度试验，还可以测定材料的通过持久强度试验，还可以测定材料的持久塑性。持久塑性。 持久塑性：持久塑性：用试样断裂后的延伸率和断用试样断裂

42、后的延伸率和断面收缩率来表示，是衡量材料蠕变脆性的一面收缩率来表示，是衡量材料蠕变脆性的一个重要指标。个重要指标。 很多材料在高温下长时间工作后，延伸很多材料在高温下长时间工作后，延伸率降低，往往发生脆性破坏，如汽轮机中螺率降低，往往发生脆性破坏，如汽轮机中螺栓的断裂、锅炉中导管的脆性破坏。栓的断裂、锅炉中导管的脆性破坏。 根据蠕变变形和断裂机制可知，要降低蠕变速根据蠕变变形和断裂机制可知，要降低蠕变速度、度、提高蠕变极限提高蠕变极限，必须控制，必须控制位错攀移位错攀移的速度；的速度；要提高断裂抗力，即要提高断裂抗力，即提高持久强度提高持久强度，必须抑制，必须抑制晶界滑动、晶界滑动、强化晶界强

43、化晶界，亦即要，亦即要。 一般地，蠕变是发生在一定的温度、应力条件一般地，蠕变是发生在一定的温度、应力条件下，是材料的热激活微观过程的宏观表现，这下，是材料的热激活微观过程的宏观表现，这不仅决定于材料的成分、组织结构等不仅决定于材料的成分、组织结构等内在因素内在因素，而且也受应力、温度等而且也受应力、温度等外来因素外来因素的影响。的影响。7-4 影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素7.4.1 化学成分的影响化学成分的影响 材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。热激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变热激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极

44、限、持久强度就高。极限、持久强度就高。 设计耐热钢及耐热合金时，一般选用熔设计耐热钢及耐热合金时，一般选用熔点高（原子结合力强）、自扩散激活能大点高（原子结合力强）、自扩散激活能大（扩散困难）和层错能低的元素及合金（扩散困难）和层错能低的元素及合金。 常用合金元素有：常用合金元素有： Cr、W、Mo、Nb、V、B、7-4 影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素Company L547-4 影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素原因：原因：v1）熔点愈高熔点愈高的金属的金属原子结合力愈强，原子结合力愈强，自扩散激活能自扩散激活能愈大，因而自扩散愈慢愈大

45、，因而自扩散愈慢，位错攀移阻力愈大，位错攀移阻力愈大 ；v2）如果熔点相同但晶体结构不同，则）如果熔点相同但晶体结构不同，则自扩散激活能自扩散激活能愈高愈高者，扩散愈慢；者，扩散愈慢；v3）层错能愈低层错能愈低的金属愈易产生扩展位错，使位错难的金属愈易产生扩展位错，使位错难以产生割阶、交滑移和攀移。这些都有利于降低蠕以产生割阶、交滑移和攀移。这些都有利于降低蠕变速率。变速率。v4）体心立方晶体的）体心立方晶体的自扩散系数自扩散系数最大，面心立方晶体最大，面心立方晶体次之。因此，大多数面心立方结构的金属，其高温次之。因此，大多数面心立方结构的金属，其高温强度比体心立方结构的高。强度比体心立方结构

46、的高。v在金属基体中加入在金属基体中加入铬、铂、钨、铌等形成单相固铬、铂、钨、铌等形成单相固溶体，除产生溶体，除产生固溶强化固溶强化作用外，还因为作用外，还因为合金元素合金元素使层错能降低，易形成扩展位错，且溶质原子与使层错能降低，易形成扩展位错，且溶质原子与溶剂原子的结合力较强，增大了扩散激活能溶剂原子的结合力较强，增大了扩散激活能，从，从而提高了蠕变极限；而提高了蠕变极限；v形成形成弥散相弥散相的合金元素，则由于弥散相能强烈阻的合金元素，则由于弥散相能强烈阻碍位错的滑移，提高高温强度。弥散相粒子硬度碍位错的滑移，提高高温强度。弥散相粒子硬度高、弥散度大、稳定性高，则强化作用好；高、弥散度大

47、、稳定性高，则强化作用好；v硼、稀土等增加晶界激活能的元素，则既能阻碍硼、稀土等增加晶界激活能的元素，则既能阻碍晶界滑动，又能增大晶界裂纹面的表面能，因而晶界滑动，又能增大晶界裂纹面的表面能，因而对提高蠕变极限，特别是持久强度是很有效的。对提高蠕变极限，特别是持久强度是很有效的。7-4 影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素v各种耐热钢及其合金的冶炼工艺要求较高，各种耐热钢及其合金的冶炼工艺要求较高，因为因为钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度降低的持久强度降低。高温合金对杂质元素和气。高温合金对杂质元素和气体含量要求更为严格，常

48、存杂志硫磷铅锡等，体含量要求更为严格，常存杂志硫磷铅锡等，即使含量只有十万分之一，当即使含量只有十万分之一，当杂质在晶界偏杂质在晶界偏析后，也会导致晶格严重弱化，从而使热强析后，也会导致晶格严重弱化，从而使热强性急剧降低，持久塑形变差性急剧降低，持久塑形变差。7-4 影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素7.4.2 冶炼工艺的影响冶炼工艺的影响v例如，某些镍基合金的实验结果表明，经过真例如，某些镍基合金的实验结果表明，经过真空冶炼后，由于铅的含量由百万分之五降低到空冶炼后，由于铅的含量由百万分之五降低到百万分之二以下，其持久时间增长了一倍。百万分之二以下，其持久时间增长了

49、一倍。v由于由于高温合金在使用中通常在垂直于应力方向高温合金在使用中通常在垂直于应力方向的横向晶界上易产生裂纹的横向晶界上易产生裂纹。因此，采用。因此，采用定向凝定向凝固工艺固工艺使柱状晶沿受力方向生长，减少横向晶使柱状晶沿受力方向生长，减少横向晶界，可以大大提高持久寿命。界，可以大大提高持久寿命。目前，该工艺正目前，该工艺正在涡轮叶片上得到很好的应用。在涡轮叶片上得到很好的应用。v例：某镍合金。例：某镍合金。7-4 影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素7.4.3 热处理及组织结构的影响热处理及组织结构的影响 采用不同的热处理工艺，可以改变材料的组织结构，采用不同的热处

50、理工艺，可以改变材料的组织结构，从而改变热激活运动的难易程度。从而改变热激活运动的难易程度。 如如珠光体耐热钢珠光体耐热钢，一般采用正火加高温回火工艺，正，一般采用正火加高温回火工艺，正火温度应较高，以促使碳化物较充分而均匀地溶解在奥氏火温度应较高，以促使碳化物较充分而均匀地溶解在奥氏体中；回火温度应高于使用温度体中；回火温度应高于使用温度100150以上，以提以上，以提高其在使用温度下的组织稳定性。如高其在使用温度下的组织稳定性。如奥氏体耐热钢奥氏体耐热钢或合金或合金一般进行固溶处理和时效，改善强化相的分布状态，并使一般进行固溶处理和时效，改善强化相的分布状态，并使之得到适当的晶粒度；之得到适当的晶粒度； 在固溶处理后再进行一次中