材料力学性能第八章 金属材料的高温力学性能

材料力学性能

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3/15/20241安徽工业大学材料科学与工程学院第八章金属高温力学性能3/15/20242安徽工业大学材料科学与工程学院在高压蒸汽锅炉、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，只考虑常温时静载时的力学性能是不够的。温度、在高温下载荷持续的时间对材料的力学性能影响很大。如化工设备中的高温高压管道，虽然承受的应力小于该工作温下的屈服强度，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，如果选材、使用不当，会导致管道破裂。3/15/20243安徽工业大学材料科学与工程学院高温下钢的抗拉强度随着载荷作用的时间增加而降低。在高温短时载荷作用下，金属材料塑性增加。在高温长时载荷作用下，金属材料的塑性降低，缺口敏感性增加，呈现脆性断裂。温度、时间的联合作用会影响材料的断裂路径。3/15/20244安徽工业大学材料科学与工程学院3/15/20245安徽工业大学材料科学与工程学院温度的“高”或“低”是相对于该金属的熔点来讲的，一般采用“约比温度（T/Tm）”更为合理。T/Tm>0.5，称为高温T/Tm≤0.5，称为低温本章主要介绍材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象，讨论蠕变变形和断裂机理、高温力学性能指标与影响因素。3/15/20246安徽工业大学材料科学与工程学院第一节金属的蠕变现象定义：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，由于这种高温蠕变变形导致的断裂，称为蠕变断裂。3/15/20247安徽工业大学材料科学与工程学院按照蠕变速率的变化，曲线可分为三个阶段：第一阶段：减速蠕变阶段，又称过渡蠕变阶段；第二阶段：恒速蠕变阶段，又称稳态蠕变阶段，一般所指金属的蠕变速率，就是这一阶段的蠕变速率；第三阶段：加速蠕变阶段3/15/20248安徽工业大学材料科学与工程学院同一材料的蠕变曲线随温度高低、应力的大小而有所不同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，就可能随着时间的延长，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，以致失效。这种在温度及初始应力一定时，材料中的应力随着时间增加而减小的现象称为应力松弛。3/15/20249安徽工业大学材料科学与工程学院第二节蠕变变形与蠕变断裂机理一、蠕变变形机理（一）位错滑移蠕变（二）扩散蠕变（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错重新运动和增殖。

但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍，从而使材料变形。3/15/202410安徽工业大学材料科学与工程学院高温下热激活过程主要是刃型位错的攀移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、或形成亚晶界、或被晶界吸收。当塞积群中某一位错被激活发生攀移时，位错源便可能再次放出一个位错，从而形成动态回复过程，蠕变得以不断发展。蠕变第一阶段，由于蠕变变形逐步产生应变硬化，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。蠕变第二阶段，由于应变硬化的发展，促进了动态回复的进行，使金属不断软化。当应变硬化与回复软化达到平衡时，蠕变速率为常数。3/15/202411安徽工业大学材料科学与工程学院（二）扩散蠕变是高温下大量原子与空位定向移动造成的材料未受外力时，原子和空位的移动没有方向性，宏观上不显示塑性变形材料两端受拉应力作用时，多晶内部产生不均匀的应力场承受拉应力的晶界，空位浓度增加承受压应力的晶界，空位浓度减小这种晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移，原子朝相反的方向运动，使得晶体伸长的蠕变，称为扩散蠕变。3/15/202412安徽工业大学材料科学与工程学院二、蠕变断裂机理金属材料在高温长载荷作用下的断裂，一般为沿晶断裂，这是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展引起的。在不同温度及应力条件下，晶界裂纹的形成方式有两种：1.在三晶粒交会处形成楔形裂纹

2.在晶界上由空洞形成晶界裂纹3/15/202413安徽工业大学材料科学与工程学院1.在三晶粒交会处形成楔形裂纹这是在高应力和低温下，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，空洞相互连接形成楔形裂纹3/15/202414安徽工业大学材料科学与工程学院2.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，这种裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近，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、晶粒大小和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。3/15/202415安徽工业大学材料科学与工程学院蠕变断裂断口的宏观特征：(1)断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹，断裂机件表面出现龟裂现象(2)由于高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖微观断口特征：冰糖状花样的沿晶断裂形貌3/15/202416安徽工业大学材料科学与工程学院第三节高温力学性能指标及其影响因素一、蠕变极限为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。是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。表达方式：

(1)在规定温度（t）下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速率ε不超过规定值的最大应力，用σεt表示。

(2)在规定温度（t）与试验时间（τ）内，使试样产生的蠕变总伸长率（δ）不超过规定值的最大应力，用σδ/τt表示。3/15/202417安徽工业大学材料科学与工程学院在使用上选用哪种方法由蠕变速率与服役时间来决定蠕变速率大、服役时间短，可取用前一种方法σεt蠕变速率小、服役时间长，可取用后一种方法σδ/τt试样(7)卡在夹头(8)上，然后置于电炉(6)中加热，试样温度用捆在试样上的热电偶(5)测定，炉温用铂电阻(2)控制，通过杠杆(3)和砝码(4)对试样加载，使之承受一定的拉应力，试样的伸长量用安装在炉外的引伸计(1)测量。具体实验时，在同一温度下要用4个以上的不同应力进行蠕变试验，到规定的时间（数百至数千小时）后停止根据实验结果绘出应力-稳态蠕变速率或应力-总伸长率关系曲线再用内插法或外推法求蠕变极限。3/15/202418安徽工业大学材料科学与工程学院JRB-20蠕变试验机用于金属材料、非金属材料的拉伸蠕变、压缩蠕变及持久强度试验。可以测量稳态蠕变速率、蠕变极限、蠕变伸长率、持久断裂时间、持久强度极限、持久缺口敏感系数等力学性能指标。完全能够实现GB／T2039－1997，ISO204:1997等国际标准、国家标准规定的试验方法。

主要技术指标：

最大载荷:20kN。

载荷测量精度：示值的±1％或±0.5％(载荷传感器满量程的2％起量)。

移动速度：0.001mm/min～150mm/min。

移动速度精度：±0.5％。

行程：300mm。

对开式大气炉：300－1000℃。

真空炉：800－1600℃。

恒温箱：-70－＋350℃。

3/15/202419安徽工业大学材料科学与工程学院二、持久强度极限定义：高温长时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（τ

）不发生断裂的最大应力，用σεt表示。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，只考虑在给定压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。金属材料的持久强度极限是通过做高温拉伸持久试验测定的，一般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至断裂的时间。3/15/202420安徽工业大学材料科学与工程学院对于设计寿命几百至数千小时的机件，材料的持久强度极限可直接用同样的时间进行试验确定。对于设计寿命长的机件，如使用数万以上小时，不可能长时间做测试，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，在lgσ-lgτ坐标图上绘出直线，通过外推法来求持久强度极限。通过高温持久试验，测量试样断裂后的伸长率及断面收缩率，还可反映材料在高温下的持久塑性。3/15/202421安徽工业大学材料科学与工程学院三、剩余应力金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性，可通过应力松弛试验测定应力松弛曲线来评定。金属的松弛曲线：指规定温度下对试样施加载荷，保持初始变形量恒定，测定试样上的应力随着时间而降低的曲线。应力松弛试验中，任一时间试样上所保持的应力称为剩余应力，用σsh表示松弛应力σso：试样减少的应力，即初始应力与剩余应力之差。3/15/202422安徽工业大学材料科学与工程学院对于不同金属材料或同种材料经过不同热处理，在相同试验温度和初始应力下，经规定时间τ后，剩余应力越高，松弛稳定性越好3/15/202423安徽工业大学材料科学与工程学院四、影响金属高温力学性能的主要因素由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，要提高持久强度极限，必须控制晶界的滑动。也就是讲，要提高金属材料的高温力学性能，就应控制晶内及晶界的原子扩散过程。这种扩散过程主要取决于合金的化学成分、晶粒度、冶炼工艺、热处理工艺等因素有关。3/15/202424安徽工业大学材料科学与工程学院（一）合金化学成分的影响位错越过障碍所需的激活能（即蠕变激活能）越高的金属，越难产生蠕变变形。1.在基体金属中加入铬、钼、钨、铌等合金元素形成单相固溶体，除产生固溶强化外，还因为合金元素使层错能降低，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，从而提高了蠕变极限。2.

加入能形成弥散相的合金元素，由于弥散相能强烈阻碍位错的滑移，所以是提高高温强度的有效方法。3.

在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素，如硼、稀土等，则既能阻碍晶界滑动，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很有效。3/15/202425安徽工业大学材料科学与工程学院（二）晶粒度的影响使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度。使用温度高于等强温度时，粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持久强度极限，但晶粒太大会降低高温下的塑性与韧性。晶粒不均匀，会显著降低其高温性能，这是由于在大小晶粒交界处易产生应力集中形成裂纹。3/15/202426安徽工业大学材料科学与工程学院（三）冶炼工艺的影响各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，由于钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度极限降低。高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格，即使含量只有十万分之几，当其在晶