金属高温力学性能教学课件

第八章金属高温力学性能在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机等设备中,很多机件长期在高温下服役。对于这类机件的材料,只考虑常温短时静载时的力学性能是不够的。如化工设备中高温高压管道,虽然承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度,但在长期使用过程中会产生连续的塑性变形,即蠕变现象,使管径逐步增大,甚至会导致管道破裂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。因为温度和作用时间对金属材料的力学性能影响很大。1、温度的影响:一般随温度升高,金属材料的强度降低而塑性增加。2、载荷持续时间的影响: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与载荷持续时间关系不大。但在高温下,载荷持续时间对力学性能有很大影响(1)<σ。,长期使用过程中,会产生蠕变,可能最终导致断裂(2)随载荷持续时间的延长,高温下钢的Rn降低(3)在高温短时拉伸时,材料的塑性增加;但在长时载荷作用下,金属材料的塑性却显著降低,缺口敏感性增加,往往呈现脆性断裂。(4)温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路径3、等强温度随试验温度的升高,金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂过渡到沿晶断裂。原因:温度升高时,晶粒强度和晶界强度都降低,(如图所示)但由于晶界上原子排列不规则,扩散容易通过晶界进行,因此晶界强度下降较快等强温度一晶粒与晶界两者强度相等的温度用T表示。等强温度随变形速率的增加而升高。这是由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶粒大得多。金属材料在高温下的力学性能,还必须加入温度和时间两个因素,研究温度、应力、应变与时间的关系,才能建立评定金属材料高温力学性能指标。4、约比温度(1)定义:试验温度t与金属熔点tn的比值(ttm)t,tm均为绝对温度(2)衡量:当t/tn>0.5时,为“高温”;反之则为“低温”(3)意义:对于不同的金属材料,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是相同的。§8-1金属的蠕变现象、蠕变的定义金属在长时间恒温、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现象。由蠕变变形导致的材料的断裂,称为称为蠕变断裂。蠕变在低温下也会产生,但只有当约比温度大于0.3时才比较显著。如碳钢超过300℃、合金钢超过400℃时就必须考虑蠕变的影响、金属的蠕变过程金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述,典型的蠕变曲线如图所示。按蠕变速率的变化,曲线可以分为三个阶段:第一阶段:ab减速蠕变阶段,又称过渡蠕变阶段。开始大,逐渐减速;第二阶段:bc恒速蠕变阶段,又称稳态蠕变阶段。速率几乎保持不变;第三阶段:cd加速蠕变阶段,逐渐增大,最后产生断裂。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。如图所示应力较小、温度较低时: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;应力较大、温度较高时: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,主要为加速蠕变。◆应力松弛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力的机件,如高温管道内用的螺栓等,随时间的延长,在总变形量不变的前提下,弹性变形变为塑性变形,从而使工作应力降低,导致失效。在温度及初始应力一定时,材料中的应力随着时间的增加而减小的现象称为应力松弛。可以看成应力不断降低条件下的蠕变过程。注意:应力松弛与蠕变的区别§8-2蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形机理金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散等机理进行,与温度及应力的变化有关(一)位错滑移蠕变常温下,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位移重