《工程材料物理性能（第2版）》 第08章 金属的高温力学性能.ppt

第八章 金属高温力学性能 n前言： n很多机件长期在高温下服役（如高压蒸汽锅炉 、汽轮机、航空发动机及化工炼油设备等）。 n随温度升高，金属的断裂由常温下常见的穿晶 断裂过渡到沿晶断裂，这是因为温度升高时晶 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。 n等强温度-晶粒与晶界两者强度相等的温度。 用tE表示。等强温度随变形速度增加而升 高。 n金属材料的高温力学性能是相对于该金 属熔点而言的，用“约比温度（t/tm）”判 定， t为试验温度，tm 为金属的熔点。 n 当t/tm 0.5时为“高”温，反之则为“低” 温。 n第一节 金属的蠕变现象 n1.蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷 下缓慢地产生塑性变形的现象。由于这 种变形而最后导致金属材料的断裂称为 蠕变断裂。（蠕变在较低温度下也会发 生，但只有当约比温度大于0.3时才比较 明显。 n2.典型蠕变曲线 n减速蠕变阶段；恒速蠕变阶段；加速蠕 变阶段。 n第一阶段ab是减速蠕变阶段。这一阶段开始的 蠕变速度很大，随着时间延长，蠕变速度逐淅 减小，到b点蠕变速度达到最小值。 n 第二阶段bc是恒速蠕变阶段。这一阶段的特 点是蠕变速度几乎保持不变，因而通常又称为 稳态蠕变阶段。一般所反映的蠕变速度，就是 以这一阶段的变形速度表示的。 n 第三阶段cd是加速蠕变阶段，随着时间的延 长，蠕变速度逐渐增大，直至d点产生蠕变断 裂。 n蠕变变形是通过位错滑移、位错攀移等方式实 现的。 n在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产生塞 积现象，滑移便不能进行。 n在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可能使 滑移面上塞积的位错进行攀移，形成小角度亚 晶界（此即高温回复阶段的多边化），从而导 致金属材料的软化，使滑移继续进行。 n在高温蠕变条件下，由于晶界强度降低，其变 形量就大，有时甚至占总蠕变变形量的一半， 这是蠕变变形的特点之一。 v蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方式产生 变形。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速 度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增 大，晶格畸变不断增加，造成形变强化。在高 温下，位错虽可通过攀移形成亚晶而产生回复 软化，但位错攀移的驱动力来自晶格畸变能的 降低。在蠕变初期由于晶格畸变能较小，所以 回复软化过程不太明显。 n蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和 攀移方式交替进行，晶界变形以滑动和 迁移方式交替进行。晶内滑移和晶界滑 动使金属强化，但位错攀移和晶界迁移 则使金属软化。由于强化和软化的交替 作用，当达到平衡时，就使蠕变速度保 持恒定。 n蠕变发展到第三阶段，由于裂纹迅速扩 展，蠕变速度加快。当裂纹达到临界尺 寸便产生蠕变断裂。 n3.应力松驰 n 在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的 应力随时间增加而减小的现象称应力松驰。（ 由于金属在长时间高温载荷作用下会产生蠕变 ，因此，对于在高温下工作并依靠原始弹性变 形获得工作应力的机件，如高温管道法兰接头 的紧固螺栓、用压紧配合固定于轴上的汽轮机 叶片等，可能随时间的延长，在总变形量不变 的情况下，弹性变形不断地转变为塑性变形， 从而使工作应力逐渐降低，以致失效）。 n应力松驰可以看作是应力不断降低条件下的蠕 变过程，因此，蠕变与应力松驰既有区别又有 联系。 n第二节 蠕变变形与断裂机理 n1.蠕变变形机理 n（1）位错滑移蠕变 n（2）扩散蠕变 n（3）晶界滑动蠕变 n2.蠕变断裂机理 n（1）在三晶粒交会处形成的楔形裂纹； n（2）在晶界上由空洞形成的晶界裂纹。 n3.蠕变断裂断口的宏观特征： n（1）断口附近产生塑性变形，在变形区域附 近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象 ； n（2）由于高温氧化，断口往往被一层氧化膜 所覆盖。 n4.蠕变断裂断口的微观特征： n 主要为冰糖状花样的沿晶断裂形貌。 n（二）蠕变断裂机理 n蠕变断裂主要是沿晶断裂。在裂纹成核 和扩展过程中，晶界滑动引起的应力集 中与空位的扩散起着重要作用。由于应 力和温度的不同，裂纹成核有两种类型 。 n 1裂纹成核于三晶粒交会处，在高应 力和较低温度下，在晶粒交会处由于晶 界滑动造成应力集中而产生裂纹。 裂纹成核分散于晶界上，在较低应力和 较高温度下，蠕变裂纹常分散在晶界各 处，特别易产生在垂直于拉应力方向的 晶界上。 这种裂纹成核的过程为：首先由于晶界 滑动在晶界的台阶（如经二相质点或滑 移带的交截）处受阻而形成空洞。然后 由于位错运动产生的大量空位，为了减 少其表面能而向拉伸应力作用的晶界上 迁移，当晶界上有空洞时，空洞便吸收 空位而长大，形成裂纹 n第三节 金属高温力学性能指标及其影响因素 n1.蠕变极限：金属材料在高温长时间载荷作用下的塑 性变形抗力指标。 n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。 n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。和常温下的屈服强度0.2相似。 n蠕变极限的表示方式： n（1）在规定温度（t）下，使试样产生规定稳态蠕变 速率（）的最大应力，以符号 t 表示。 n例如600 110 -5 =60Mpa，表示温度为600的条件下， 稳态蠕变速率为1 10 -5 %/h的蠕变极限为60Mpa. n（2）在规定温度（t）下，和在规定试 验时间（）内，使试样产生一定的蠕 变总伸长率（）的最大应力。 n以 t / 表示。 n如 600 1 / =10 5=100Mpa，表示材料在500 温度下，105小时后总伸长率为1%的蠕 变极限为100Mpa。 n试验时间及蠕变总伸长率的具体数值根 据机件后勤工作时间来规定的。 n蠕变极限一般有两种表示方法： n2.持久强度极限： n 高温长时载荷下断裂的抗力。 n在规定温度（t