金属高温力学性能ppt课件

第八章高温下金属的机械性能在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机和其他设备中，许多零件长期处于高温下。对于这类机械零件的材料，仅考虑常温和短期静载荷下的力学性能是不够的。例如，化工设备中的高温高压管道，虽然其承受的应力小于材料在该工作温度下的屈服强度，但会产生连续的塑性变形，即蠕变现象，这将逐渐增大管径，甚至导致管道在长期使用过程中破裂。1。对于长时间高温工作的金属零件，仅考虑常温和短期静载荷下的力学性能显然是不够的。因为温度和作用时间对金属材料的力学性能有很大的影响。1.温度的影响：一般来说，随着温度的升高，金属材料的强度降低，塑性增加。2.载荷持续时间的影响：如果不考虑环境介质的影响，可以认为材料的常温静载荷力学性能与载荷持续时间关系不大。然而，在高温下，载荷持续时间对力学性能有很大影响。当为0.5时，为“高温”。否则，就是“低温”。(3)含义：对于不同的金属材料，在相同的近似温度下，它们的蠕变行为相似，力学性能相同。5，8-1金属的蠕变现象1。蠕变的定义金属在恒定温度和载荷下长时间缓慢塑性变形的现象(即使应力小于该温度下的屈服强度)。蠕变引起的材料断裂称为蠕变断裂。蠕变也发生在低温下，但仅当近似比温度大于0.3时才显著。如果碳钢超过300，合金钢超过400，必须考虑蠕变效应。金属的蠕变过程可以用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线如图所示。根据蠕变速率的变化，曲线可分为三个阶段：第一阶段：ab减速蠕变阶段，也称为过渡蠕变阶段。开始大，逐渐慢下来；第二阶段：bc恒定蠕变阶段，也称为稳定蠕变阶段。比率几乎保持不变。第三阶段：cd加速蠕变阶段，逐渐增加，最后产生断裂。同一种材料的蠕变曲线随温度和应力而变化。如图所示，当应力较小且温度较低时，蠕变的恒速蠕变阶段持续时间较长，甚至没有加速蠕变阶段。当应力大、温度高时：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，主要是加速蠕变。长期高温载荷下金属蠕变引起的应力松弛，对于在高温下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力的零件，如高温管道中使用的螺栓，随着时间的延长，在总变形不变的前提下，弹性变形转变为塑性变形，从而降低工作应力并导致失效。当温度和初始应力不变时，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。这可以看作是一个应力不断降低的蠕变过程。注：应力松弛与蠕变的区别，蠕变变形9，8-2和蠕变断裂机理1。蠕变变形机制金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散等机制进行，并与温度和应力的变化有关。(a)位错滑移在室温下蠕变，如果滑移面上的位错运动受阻而产生堵塞，滑移就不能进行，位移仅在较大的剪切应力作用下移动并再次倍增。在高温下，位错可以通过外部提供的热激活能和空位扩散克服一些短程障碍，这有利于加强位错运动(滑移、爬升、交叉滑移等)。)和克服短期障碍。从而产生塑性变形。高温下的热激活过程主要是边缘位错的爬升运动。如测试中所示11、在蠕变的第一阶段：随着蠕变变形逐渐产生应变硬化，位错源运动和位错滑移的阻力逐渐增大，使得蠕变速率不断减小。也被称为“减速爬行阶段”蠕变的第一阶段非常短，不超过几百个小时。通常，在高温下工作的零件的所需寿命设定在蠕变的第二阶段。在蠕变的第二阶段：动态恢复(软化)，硬化和软化达到平衡，蠕变速率是一个常数。(2)扩散蠕变这是较高温度下的蠕变变形机制，具体温度T/Tm为0.5。高温和应力(非均匀应力场)下空位和原子的定向扩散。材料蠕变。对于承受拉伸应力的晶界(和晶界)，空位浓度降低；对于承受压应力的晶界(碳和丁晶界)，空位浓度增加。如图所示，晶体中的空位从拉伸晶界迁移到压缩晶界，原子向相反方向移动，导致晶体伸长的蠕变，称为扩散蠕变。在高温和晶界滑动应力的作用下，由于晶界上的原子容易扩散，晶界受应力后容易滑动(即晶粒旋转)，同时也促进了蠕变。晶界滑动对蠕变的贡献较小，一般约为10%。这种机制并不是独立的，因为晶界滑动必须与晶内滑动变形相匹配，否则晶界的连续性将无法维持，导致晶界上的裂纹。晶粒尺寸越小，晶界滑动对蠕变的影响越大。蠕变断裂机理实验表明，在不同温度和应力条件下，晶界裂纹有两种形式：1 .楔形裂纹形成于三个晶粒的连接处。这是因为在高应力和低温下，晶界滑动在三个晶粒的接合处受阻，导致应力集中形成空隙，这些空隙相互连接形成楔形裂纹。如图15、2所示。晶界裂纹是由晶界上的空洞形成的，是在较低应力和较高温度下产生的裂纹。这种裂纹出现在晶界的突出部分和细小的第二相粒子附近。当晶界滑动产生空隙时，这些空隙长大并连接形成裂纹。如图所示，蠕变断裂主要发生在晶界上，因此晶界的形貌、晶界上沉淀物和杂质的偏析以及晶粒尺寸和晶粒尺寸的均匀性都对蠕变断裂有很大影响。16，3，断裂特征1，宏观特征(1)塑性变形发生在断裂附近，并且在变形区域附近有许多裂纹(裂纹出现在断裂部位的表面)；(2)由于高温氧化，断口表面被氧化膜覆盖。2.微观特征：结晶糖样图案的晶间断裂。17，8-3高温力学性能指标及其影响因素1。蠕变极限为了确保零件在高温和长时间载荷下不会产生过度的蠕变，金属材料要求有一定的蠕变极限。1.定义是材料在高温和长期载荷下的塑性变形抗力指数。表达式(1)当样品在规定时间内的稳态蠕变速率不超过规定值时，在规定温度下的最大应力(T)。例如，当600下的稳定蠕变速率为110-5%/时，蠕变极限为60MPa。(2)在规定的温度(t)和试验时间()内，试样的总蠕变伸长()不得超过规定值的最大应力。用符号表示。例如，这意味着总蠕变伸长=1%的材料在500下100，000小时的蠕变极限为100兆帕。3.根据使用条件选择和确定哪种表示方法。如果蠕变速率大且使用时间短，则表达式(1)是优选的。相反，如果服务时间长，将采用后一种表达式。20，4。测试蠕变测试装置，如图所示。对于特定试验，蠕变试验应在相同温度下用4个以上的不同应力进行，并应在规定时间(数百至数千小时)后停止；根据实验结果绘制了应力-稳态蠕变速率或应力-总伸长曲线。如图所示，21，2，耐久强度极限1，定义在规定温度(T)下达到规定持续时间()而不断裂的最大应力。用来表达。2.对于一些不考虑高温运行时的变形而只考虑给定应力下的使用寿命的零件的设计，一般选择耐久强度。例如，对于锅炉过热蒸汽管道，耐久强度极限是一个非常重要的性能指标。22，3。该试验通过高温拉伸耐久性试验确定。不必测量样品的伸长率，只需测量样品在规定的时间和应力下断裂的时间。对于设计寿命为几百到几千小时的零件，材料的耐久强度极限可以通过同时试验直接确定。对于使用寿命长的零件，如果使用几万个小时，就不可能进行长时间的测试。因此，与蠕变试验类似，通常会进行大应力和短时间(数百小时)的试验数据，绘制直线，并通过外推获得持久强度的极限。如图23，3，残余应力1，松弛稳定性：金属材料对应力松弛的抵抗力。可以用应力松弛试验测得的应力松弛曲线来评价。2.金属松弛曲线：在特定温度下对样品施加载荷，保持初始变形不变，并测量样品上的应力随时间降低的曲线。如图3所示，残余应力：应力松弛试验中任何时间保持在样品上的应力为r(以前为sh)。它是评价金属材料应力松弛稳定性的一个指标。4.松弛应力：样品上减小的应力，即初始应力和残余应力之差，用re(以前的so)表示。24、对于不同的金属材料或相同的材料经过不同的热处理后，在相同的试验温度和初始应力下，经过一定时间后，残余应力越高，松弛稳定性越好。例如，20Cr1Mo1V1钢广泛用于燃气轮机和燃气轮机紧固件。不同热处理工艺(正火、油淬回火)后的应力松弛曲线(初始应力 0=300 MPa)如图所示。可以看出，正火过程的残余应力较高，表明其具有较好的应力松弛稳定性。影响金属高温力学性能的主要因素根据蠕变变形和断裂机理，要提高蠕变极限，必须控制位错攀移速率；要提高持久强度极限，必须控制晶界滑动。换句话说，为了改善金属材料的高温机械性能，有必要控制原子在晶界和晶界的扩散过程。这主要取决于合金的化学成分、熔炼工艺、热处理工艺等因素。(1)合金化学成分的影响位错穿过势垒所需的蠕变激活能越高，金属越难产生蠕变变形。实验表明，纯金属的蠕变活化能与其扩散活化能接近，因此耐热钢及合金的基体材料一般选择熔点高、自扩散活化能大或堆垛层错能低的金属及合金。可添加：熔点高的Me含有能形成分散相的Me和能增加晶界扩散活化能的Me(硼、稀土)。详情如下，27。(1)添加Me，如铬、钼、钨、铌等。形成单相固溶体。除了固溶强化之外，Me还降低了堆垛层错能，并且容易形成扩展位错。此外，溶质原子和溶剂原子之间的结合力很强，增加了扩散活化能，从而提高了蠕变极限。(2)加入能形成分散相的Me，能强烈阻碍位错滑移，是提高高温强度的有效方法。分散相颗粒的硬度越高，分散性越大，稳定性越高，强化效果越好。(3)添加能提高晶界扩散活化能的硼、稀土等金属元素，不仅能阻止晶界滑动，还能提高晶界裂纹表面的表面能，有效提高蠕变极限和持久强度极限。(2)冶炼镨的影响(3)热处理工艺的影响不同钢种有不同的热处理工艺。例如，珠光体耐热钢一般采用正火和高温回火工艺。正火温度相对较高，以促进碳化物完全溶解在奥氏体中。回火温度比使用温度高100 150，以提高使用温度下的结构稳定性。变形热处理可以通过改变晶界的形状、在晶体中形成锯齿和多边形亚晶界来进一步强化合金。(4)晶粒度的影响当使用温度低于等强度温度时，细晶钢具有较高的强度。当使用温度高于等强度温度时，粗晶粒钢具有较高的蠕变极限和持久强度极限，但晶粒尺寸过大不会降低高温下的塑性和韧性。根据合金成分和工作条件，有一个最佳的晶粒尺寸范围。不均匀的晶粒尺寸将显著降低其高温性能，这是由于应力集中和在大晶粒和小晶粒的接合处形成裂纹。31，8-4其他高温机械性能1。高温短期拉伸性能(火箭和导弹发射)瞬时高温强度；热塑性；当蠕变没有决定性作用时。第二，高温硬度工具材料(红色硬度)，高温轴承。测量高温硬度的压头。32，高温力学性能与室温力学性能的比较高温力学性能特征：b=f(t，)b=C，=C蠕变，应力松弛，蠕变与疲劳变形机制的相互作用：无孪晶；滑动晶体中的滑移和孪晶晶界起主要作用，晶界起阻挡作用并改善机械性能：增加晶格电阻，细化晶粒，减少晶界面积(粗化晶粒)，增加位错密度，增加扩散热激活能，强化(合金化，第二相)形成复杂网状的第二相，33，操作P1701；2；6 .思考问题P1703；4 .34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44，样品7被夹在卡盘8上，然后放置在电炉6中加热。样品的温度由结合在样品上的热电偶5测量。炉温由铂电阻2控制。样品由杠杆3和砝码4加载，以承受一定的拉伸应力。样品的伸长率由安装在炉外的伸长计1测量。45，用于金属和非金属材料的拉伸蠕变、压缩蠕变和拉伸强度试验。可测量稳态蠕变速率、蠕变极限、蠕变伸长率、断裂时间、断裂强度极限、断裂缺口敏感性系数等力学性能指标。主要技术指标：最大负荷：100千牛顿。负载测量精度：指示值的1%或0.5%(负载传感器满量程的2%