金属高温力学性能教学课件PPT材料力学性能.ppt

第八章金属高温力学性能 2 一 举例 20钢在不同温度下的力学性能 淬火 低温回火后抗拉强度1530mpa 450 时测量的抗拉强度是320mpa 在225mpa载荷作用300后小时断裂 在115mpa载荷作用10000小时断裂 总结 1 温度对材料的学性能有影响 2 载荷持续时间对材料性能也有影响 温度 时间 载荷决定材料高温行为 3 高温对金属力学性能的影响有以下几个方面 1 在低应力条件下使用 金属材料将产生缓慢而连续的塑性变形 即蠕变现象 2 高温短时载荷作用下 金属塑性增加 长时载荷作用下 由于产生永久性塑性变形 蠕变变形 塑性将显著降低 往往呈脆性断裂 3 高温下金属断裂方式由常温的穿晶断裂逐渐过渡到沿晶断裂 临界温度称为 等强温度 4 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 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 5 6 二 材料在高温长时载荷作用下的力学行为 1 产生缓慢而连续的的塑性变形 蠕变变形 2 塑性 缺口敏感性 一般脆性断裂 7 金属及陶瓷的蠕变现象 8 在讨论金属高温力学性能时 通常使用试验温度t与金属熔点tm的比值t tm 称 约比温度 t tm 0 5时为高温 t tm 0 5时为低温 金属的再结晶温度在0 4 0 5tm 也就是说使用温度超过再结晶温度即可认为高温 9 8 1金属的蠕变 一 蠕变现象 金属在长时间的恒温 恒载荷作用下缓慢产生的塑性变形 2 产生条件 约比温度t tm 0 3 热力学温度 t 试验温度 tm 熔点温度 1 蠕变曲线 减速蠕变 稳态蠕变 加速蠕变 10 11 水平提高 蠕变各阶段的本质 蠕变将产生应变硬化 使位错开动的阻力逐渐增大 因此第一阶段蠕变速率逐渐降低 应变硬化发展到一定程度 在温度作用下将发生回复现象 使金属不断软化 最终 当应变硬化和动态回复平衡时 蠕变速率为一常数 蠕变进入恒速蠕变阶段 12 3 应力松弛 材料在恒变形的条件下 随着时间的延长 弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛 应力松弛现象 提示 剩余应力值高 说明材料有较好的松弛稳定性 13 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 14 二 蠕变变形机理 1 位错滑动位错激活方式 刃型位错攀移 螺型交滑移 位错环分解合并等 攀移过程示意图 15 位错滑移蠕变机理 材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起的 在一定的载荷作用下 滑移面上的位错运动到一定程度后 位错运动受阻发生塞积 就不能继续滑移 也就是只能产生一定的塑性变形 在常温下 滑移面上位错运动受阻 产生塞积现象 滑移便不能进行 在高温下 温度的升高 给原子和空位提供了热激活的可能 使得位错可以克服某些障碍得以运动 继续产生塑性变形 16 2 扩散蠕变 晶内 cd处受压应力 空位浓度低 ab处受拉应力 空位浓度高 空位扩散 原子扩散 物质迁移的过程 变形 晶粒沿拉伸轴方向伸长 垂直于拉伸轴方向收缩 17 3 晶界滑动 高温状态下晶界上原子容易扩散 受力后晶界易滑动 对蠕变产生贡献 晶界滑动蠕变占总蠕变量的比例为10 左右 晶粒越小 滑动对蠕变的贡献越大 总结 1 蠕变第一阶段和第三阶段变形以滑移为主 2 蠕变第二阶段除滑移外还有原子扩散贡献 18 三 蠕变断裂机理 1 晶界楔形裂纹模型蠕变温度下 恒载荷使位于最大切应力方向的晶界滑动 在三晶粒交界处形成应力集中 应力集中若不能被晶粒的塑性变形或晶界的迁移所松弛 当其达到晶界的结合强度时 在三晶粒交界处发生开裂 形成楔形裂纹 19 2 晶界空洞裂纹模型 晶界滑动与晶内滑移带交割形成空洞 晶界滑动与第二相质点作用形成空洞 20 3 断口特征蠕变断裂主要发生在晶界上 其断口宏观特征表现为 断口附近产生塑性变形 并有很多裂纹 断口表面有一层氧化膜 断口的微观特征主要表现为冰糖状断裂形貌 21 8 2金属高温力学性能 一 蠕变极限 1 含义 材料在高温恒载作用下对塑性变形的抗力 2 表示方法 1 规定温度下 使试样产生规定稳态蠕变速率的最大应力 2 规定温度 规定时间 使试样产生规定总伸长率的最大应力 22 举例 蠕变极限举例 1 2 23 3 蠕变极限测定 1 在同一温度下 不同应力水平下进行蠕变试验 获得不同应力条件下的稳态蠕变速度 2 在双对数坐标中绘制应力 稳态蠕变速率曲线 曲线 3 用图解外推法获得规定较小蠕变速率下的蠕变极限 24 25 26 二 持久强度极限 1 持久强度 材料在一定的温度下和规定的时间内 不发生蠕变断裂的最大应力 2 表示方法 举例 27 3 持久强度的应用 某些在高温下工作的机件 不考虑变形量的大小 只要求机件在使用期内不发生断裂 28 4 持久强度测量 高温拉伸持久试验 外推法 29 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 30 持久强度的测定 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持久塑性 31 三 剩余应力金属在长时间高温载荷作用下会产生蠕变 原来的弹性变形逐渐转变为塑性变形 使工作应力逐渐降低 这种现象称为应力松弛 工作应力在松弛过程中任一时间所保持的应力称为剩余应力 以 r 初始工作应力与剩余应力之差称为松弛应力 以 re表示 32 四 提高蠕变极限和持久强度的主要途径1 增大位错移动和晶界滑移的阻力 1 在等强温度te以下 应变速率较大时 金属蠕变变形以滑移为主 这时对金属对变形和强化因素的考虑与室温时相同 33 四 提高蠕变极限和持久强度的主要途径1 增大位错移动和晶界滑移的阻力 2 在te以上 应变速率较小时 金属蠕变变形以原子扩散为主 从扩散蠕变考虑 应该选择高熔点 具有密排结构的金属材料 从阻碍位错移动考虑 应选择层错能低 形成固溶体 含有弥散相的合金 34 2 消除有害杂质元素杂质元素 如s p pb sb sn等 在晶界上集聚后导致晶界强度降低 高温性能急剧下降 非金属夹杂物和冶金缺陷 气孔 也会严重降低材料的高