金属高温力学性能

金属高温力学性能第一节金属的蠕变比温度蠕变曲线蠕变机理蠕变断裂机理第2页,共30页，2024年2月25日，星期天高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、化工炼油设备以及航空发动机中的构件都是长期在高温条件下工作的。材料的高温力学性能不同于室温。1）何谓高温？金属材料：T>0.3-0.4Tm；(Tm为材料的熔点，以绝对温度K计算)陶瓷材料：T>0.4-0.5Tm；高分子材料T>Tg

（Tg为玻璃化转变温度）约比温度第3页,共30页，2024年2月25日，星期天温度对材料力学性能的影响材料在高温下将发生蠕变现象（材料在恒定应力的持续作用下不断地发生变形）。材料在高温下的强度与载荷作用的时间有关。载荷作用时间越长，引起变形的抗力越小。材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。应变速率越低，作用时间越长，塑性降低越显著，甚至出现脆性断裂。与蠕变现象相伴随的还有高温应力松弛（恒定应变下，材料内部的应力随时间降低的现象）。第4页,共30页，2024年2月25日，星期天温度和时间对断裂形式的影响

温度升高时，晶粒强度和晶界强度都要降低，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。

晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”TE。当材料在TE以上工作时，材料的断裂方式由常见的穿晶断裂过渡到晶间断裂。

材料的TE不是固定不变的，变形速率对它有较大影响。因晶界强度对形变速率敏感性要比晶粒大得多，因此TE随变形速度的增加而升高。第5页,共30页，2024年2月25日，星期天第6页,共30页，2024年2月25日，星期天材料的蠕变

材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变（Creep）。

由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。

材料的蠕变可在任何温度范围内发生，不过高温时，变形速度高，蠕变现象更明显。陶瓷材料在室温一般不考虑蠕变；高分子材料在室温下就能发生蠕变。第7页,共30页，2024年2月25日，星期天典型蠕变曲线第8页,共30页，2024年2月25日，星期天蠕变曲线描述蠕变变形规律的参量主要有：应力、温度、时间、蠕变变形量和变形速率等，其关系为：式中为蠕变速率，

为应力，T为绝对温度，

为蠕变变形量，m1和m2为与晶体结构特性（如弹性模量等）和组织因素（如晶粒度等）有关的参量。1.金属与陶瓷材料的蠕变曲线（1）ab段为蠕变第I阶段，称为减速蠕变阶段，其蠕变变形速度与时间的关系可用下式表示：式中A、n皆为常数，且0<n≤1。第9页,共30页，2024年2月25日，星期天（2）bc段为蠕变第II阶段，此阶段蠕变速度基本不变，为恒速（稳定）蠕变阶段。此时的蠕变速度称最小蠕变速度，即通常所谓的蠕变速度，其蠕变量为：（3）cd段为蠕变第III阶段，为加速蠕变阶段。此时材料因产生颈缩或裂纹而很快于d点断裂。蠕变断裂时间及总变形量为tr及

r。

第II阶段的蠕变速度及

r(持久断裂时间)、

r(持久断裂塑性)是材料高温力学性能的重要指标。蠕变曲线与应力、温度有关；应力小、温度低时，蠕变速率低、第II阶段长；应力增加、温度升高后，第II阶段变短、甚至消失。第10页,共30页，2024年2月25日，星期天金属和陶瓷材料的蠕变变形机制1.

位错滑移蠕变塑性变形→位错滑移→塞积、强化、更大切应力下才能重新运动→变形速度减小；在高温下，靠热激活和空位扩散来进行→刃位错发生攀移→位错在新的滑移面上运动→位错源再次开动、使蠕变得以不断发展（动态回复过程）→蠕变速度增大。第I阶段，材料因变形而强化，阻力增大，速率减小。第II阶段，材料强化与动态回复共存，达到平衡，蠕变速率维持不变。第11页,共30页，2024年2月25日，星期天第12页,共30页，2024年2月25日，星期天2.扩散蠕变发生在T/Tm>0.5的情况下，是大量原子和空位的定向移动的结果。无外力作用下，原子和空位的移动无方向性，材料无塑性变形。有外力作用时，拉应力下的晶界产生空位，而压应力作用下的晶界空位浓度小，因此空位由拉应力晶界向压应力晶界迁移，致使晶体产生伸长的蠕变。扩散途径：（1）空位沿晶内流动，Nabarro-herring机制；（2）沿晶界流动，Coble机制。扩散蠕变机理第13页,共30页，2024年2月25日，星期天3.晶界滑动蠕变高温下（T/Tm>0.5），晶界上的原子易扩散，受力后发生滑动，促进蠕变；多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界是低熔点氧化物聚集之处，易于形成玻璃相。在温度较高时，晶界粘度迅速下降。外力导致晶界粘滞性流动，发生蠕变。晶界形变在高温时很显著，甚至能占总蠕变变形量的一半，晶界的滑动是通过晶界的滑移和迁移来进行的。第14页,共30页，2024年2月25日，星期天应力和温度对蠕变曲线的影响等温曲线（

4>3>2>1）等应力曲线（T4>T3>T2>T1）应力松弛在规定温度和初始应力条件下，金属材料的应力随时间增加而减小的现象称为应力松弛。应力松弛是应力不断降低条件下的蠕变过程。第15页,共30页，2024年2月25日，星期天楔形空洞的形成蠕变断裂机理1.楔形裂纹第16页,共30页，2024年2月25日，星期天空位聚积形成空洞示意图空洞形成示意图2.由空洞形成晶界裂纹（较低应力和较高温度）第17页,共30页，2024年2月25日，星期天第18页,共30页，2024年2月25日，星期天第二节高温力学性能指标蠕变极限持久强度极限剩余应力与应力松弛影响因素第19页,共30页，2024年2月25日，星期天蠕变极限为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要金属材料具有一定的蠕变极限。蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。蠕变极限一般有两种表示方法：在给定温度T下，使试样产生规定蠕变速度的应力值，以符号（MPa）表示（其中为第II阶段蠕变速度，%/h）。例如：表示在600℃的条件下，蠕变速度为110-5%/h的蠕变极限为600MPa。在给定温度T和在规定的试验时间（

，小时）内，使试样产生一定蠕变变形量（

，%）的应力值，以符号表示。例如：表示在600℃的条件下，10万小时后伸长率为1%的蠕变极限为100MPa。第20页,共30页，2024年2月25日，星期天第21页,共30页，2024年2月25日，星期天持久强度材料在高温下的变形抗力与断裂抗力也是两种不同的性能指标。对于高温材料除测定蠕变极限外，还必须测定其在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力，即持久强度。材料的持久强度，是在给定温度T下，恰好使材料经过规定的时间（t）发生断裂的应力值，以（MPa）表示。如：某材料在700℃承受30MPa的应力作用，经1000h后断裂，则称这种材料在700℃、1000h的持久强度为30MPa，写成=30MPa。第22页,共30页，2024年2月25日，星期天持久强度的测定持久强度一般通过作持久试验测定，只要测定试样在给定温度和一定应力作用下的断裂时间。（1）对于设计寿命为数百至数千小时的机件，可以直接用同样时间的试验来确定。（2）对于设计寿命为数万以至数十万小时的机件，一般做出一些应力较大、断裂时间较短的试验数据，画在lgt-lg

坐标图上，联成直线，用外推法（时间不超过一个数量级）求出数万以至数十万小时的持久强度。由持久强度试验，测量试样在断裂后的伸长率及断面收缩率，还能反映出材料在高温下的持久塑性。第23页,共30页，2024年2月25日，星期天剩余应力金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性，可以通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。剩余应力

r是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。应力松弛曲线松弛应力剩余应力第24页,共30页，2024年2月25日，星期天应力松弛零件或材料在总应变保持不变时，其中的应力随着时间延长而自行降低的现象，叫做应力松弛。应力松弛可分为三个阶段：第I阶段：在开始阶段应力下降很快；第II阶段：应力下降逐渐减缓的阶段；松弛极限：在一定的初应力和温度下，不再继续发生松弛的剩余应力；其原因是由于随时间增长，一部分弹性变形转变为塑性变形，即弹性应变不断减小，所以零件中的应力相应地降低。应力松弛看作是应力不断降低时的“多级”蠕变。第25页,共30页，2024年2月25日，星期天松弛曲线第26页,共30页，2024年2月25日，星期天金属材料的应力松弛高温条件下金属材料会出现明显的应力松弛现象，如高温条件工作的紧固螺栓和弹簧都会发生应力松弛现象。零件总应变可写作弹性应变

e和塑性应变

p之和，即：

=e+p=常数

应力松弛曲线：是在给定温度和总应变条件下，应力随着时间的变化曲线。

松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。常用金属材料在一定温度T和一定初应力

0作用下，经规定时间t后的“残余应力”

的大小作为松弛稳定性的指标。第27页,共30页，2024年2月25日，星期天蠕变极限和持久强度的影响因素由蠕变断裂机理可知：1）要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速度；2）要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须抑制晶界的滑动，也就是说要控制晶内和晶界的扩散过程。（一）合金化学成分的影响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。熔点愈高的金属(Cr、W、Mo、Nb)，自扩散愈慢；层错能降低，易形成扩展位错，位错难以交滑移、攀移；弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移；第28页,共30页，2024年2月25日，星期天能增加晶界扩散激活能的添加元素(如硼及稀土)，则既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹的表面能。面心立方结构的材料比体心立方结构的高温强度大。（二）冶炼工艺的影响降低夹杂物和冶金缺陷的含量；通过定向凝固工艺，减少横向晶界，提高持久强度，因为在横向晶界上容易产生裂纹。（三）热处理工艺的影响珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺。回火温度应高于使用温度100~150℃以上，以提高其在使用温度下的组织稳定性。第29页,共30页，2024年2月25日，