金属高温力学性能

1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(kǎolǜ)常温短时静载时的力学性能是不够的。高温(gāowēn)影响蠕变及其机理高温力学性能指标共二十一页21、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(zàihè)持续时间的影响：在高温下，载荷持续时间对力学性能有很大影响。例如：钢的σb随载荷持续时间↑而↓共二十一页3温度和时间对断裂路径的影响(yǐngxiǎng)

温度T↑，载荷t↑，断裂由穿晶断裂过渡到沿晶断裂。变形速率对金属断裂路径的影响变形速率↑，TE↑。等强温度(TE)概念——晶粒与晶界两者强度相等的温度，称为(chēnɡwéi)等强温度。

T<TE时，穿晶断裂。

T>TE时，沿晶断裂。共二十一页4

当约比温度>0.5时——高温状态(zhuàngtài)。

当约比温度<0.5时——低温状态。

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。共二十一页5§8－1金属的蠕变(rúbiàn)现象金属在长时间恒温、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。

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。共二十一页6金属的蠕变过程(guòchéng)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。

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(duànliè)，主要为加速蠕变。共二十一页7

蠕变应力(yìnglì)松弛

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(shīxiào)。

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。金属应力松弛曲线

共二十一页8§8-2蠕变变形与蠕变断裂机理一、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：

位错的增殖与运动→产生塑性变形→位错运动受阻→变形停止。

高温(gāowēn)下：

外界提供热激活能，促进原子扩散→位错持续运动→产生了蠕变变形。共二十一页（二）扩散蠕变

在更高温度（约比温度t/tm>0.5，甚至接近于Tm时）→原子扩散进一步加剧→较多数量的原子(空位(kōnɡwèi))直接发生迁移性扩散→扩散蠕变。共二十一页

机制一：在三晶粒交会处形成楔形裂纹(lièwén)高应力，较低温度下，晶界滑动在三晶粒交汇处受阻→应力集中→形成空洞→相互连接形成楔形裂纹→长大→引起断裂楔形裂纹(lièwén)形成示意图

二、蠕变断裂机理共二十一页

机制二：在晶界上由空洞形成(xíngchéng)晶界裂纹

较低应力，较高温度下当晶界受垂直拉应力作用时，周围晶界或晶粒内部的空穴聚集于此晶界，形成空洞(kōngdòng)核心→空洞(kōngdòng)超过临界尺寸（r）而稳定存在→长大→引起断裂。

空洞位置：晶界上的凸起部位，细小的第二相质点附近，（晶界夹杂物）共二十一页12§8-3高温力学性能指标及其影响因素一、蠕变极限为了保证高温长时载荷作用下的机件不会产生(chǎnshēng)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。共二十一页1.在给定的温度下，使试样在蠕变(rúbiàn)第二阶段产生规定稳态蠕变(rúbiàn)速率的最大应力。600℃1×10－5％/h500℃100000h总伸长为1%2.在给定温度t和规定时间τ(小时)内，使试样产生规定蠕变(rúbiàn)变形量δ的最大应力。

蠕变极限的表示方法共二十一页持久强度极限

高温长期(chángqī)载荷下对断裂的抗力（不考虑变形量）蠕变极限(jíxiàn)高温长期载荷下对塑性变形的抗力（考虑了变形量）

二.持久强度极限在给定温度t下，达到规定的持续时间τ而不发生断裂的最大应力，以MPa表示。共二十一页15

三、剩余应力

1、松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能(xìngnéng)。可通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。

2、金属的松弛曲线：在规定温度下，对试样施加载荷，保持初始变形恒定，测定试样上的应力随时间延长而降低的曲线。

3、剩余应力：应力松弛试验中任一时间试样上所保持的应力，用σr（以前用σsh）。是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。

4、松弛应力：试样上所减少的应力，即初始应力与剩余应力之差，用σre表示（以前用σso）。共二十一页金属(jīnshǔ)应力松弛曲线

任一时间试样上所保持的应力——剩余应力σsh松弛试验中，试样上所减少的应力——松弛应力σso初始应力σ0对于不同金属材料或同种材料经过(jīngguò)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，松弛稳定性越好。共二十一页四、影响金属高温力学性能的主要(zhǔyào)因素

1、基体金属与晶体结构的影响

通常熔点高，自扩散激活能大，层错能低的金属，蠕变极限↑。——高温材料设计依据自扩散系数：bcc>fcc>hcp>金钢石型

——自扩散系数大，自扩散激活能小故：——fcc的蠕变极限>bcc

——金钢石型的陶瓷材料具有(jùyǒu)优良的抗高温蠕变性能共二十一页

加入Cr，Mo，W，Nb，使固溶强化(qiánghuà)；↓层错能，↑扩散激活能；化学相互作用、形成短程有序等。2、溶质元素的影响通常溶质元素或微量杂质原子，尤其是高熔点、与基体金属(jīnshǔ)原子尺寸相差较大的溶质原子，可使蠕变极限提高。——S、P、Pb、Sn、Bi、Sb为有害杂质元素——马氏体的固溶强化并不适用共二十一页3系出物与杂质物的影响加入合金元素，生成弥散强化(qiánghuà)相，阻碍滑移和攀移，↑高温强度。

——须为热力学稳定的第二相如钢中采用特殊碳化物、氮化物等

——非金属夹杂物有害4、晶粒度的影响

T<TE，细晶粒钢强度高。

T>TE，粗晶粒钢强度高。采用(cǎiyòng)适当的晶粒度，例2－3级

——因为晶粒太大，δ↓，Ak↓

共二十一页Thanks20共二十一页内容(nèiróng)总结1。变形速率↑，TE↑。如碳钢超过300℃、合金钢超过400℃时就必须考虑蠕变的