第九章金属材料高温力学行为

1、第九章 金属材料高温力学行为9.1引言所谓高温，是指机件的服役温度超过金属的再结晶温度， 即(0.40.5) Tmz, Tm为金属的熔点。在这样的高温下长时服役，金属的微观结构、形变和断裂 机制都会发生变化，且不同材料的力学性能随温度的变化 规律各不相同。且与时间因素相关。例如:在高温下金属介稳组织要转变为稳定组织，从而引 起强度的迅速降低。9.2蠕变蠕变现象：材料在高温和恒定应力作用下，即 使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形。 这种现象称为蠕变。材料在较低温度下的蠕变现象极不明显；温度升 高至0.3Tm以上时，蠕变现象才会变得愈来愈明 显。蠕变曲线:初载荷应变8。蠕变三个阶段：第I阶

2、段为减速蠕变阶段；随时 间的增长不断下降。第II阶段为稳态蠕变或恒速蠕 变阶段，蠕变速率保持不变；第in阶段为加速蠕变阶段。对于同一种材料，蠕变曲线的 形状随外加应力和温度的变化 而变化。蠕变曲线描述:£ £ + f3t + CX1 n是小于1的正数；第二项反映减速蠕变应变；第 三项是反映恒速蠕变应变。对上式求导，得£ + cc其中Q的物理意义是代表第II阶段的蠕变速率。蠕变极限：高温服役的机件在其服役期内不允许产生过量的蠕变变 形，需定义一个力学性能参数用于表征蠕变变形的抗力。确定蠕变极限有两种方法：在给定温度下，第II阶段内的蠕变速率等于规定值的应 力，定义为

3、蠕变极限，记作,例如= SOMPa 0在给定温度和试验时间内，产生规定的总应变量为的应 力，定义为蠕变极限，并记为例如O幣000 = 100 MPa。持久强度：对于某些在高温下工作的零件，蠕变变形很小或是对变形 要求不严格(例如锅炉管道)，只要求零件在使用期内不 发生断裂。在这种情况下，要用持久强度作为评价材料、 设计零件的主要依据。持久强度是材料在一定的温度下和规定时间内，不发生蠕 变断裂的最大应力，记作b；(MPa) o例如 cr器=200MPa 。持久塑性:通过持久强度试验，还可以测定材料的持久塑性。持久塑 性用试样断裂后的延伸率和断面收缩来表示。它反映材料在高温长时间作用下的塑性性能，

4、是衡量材料 蠕变脆性的一个重要指标。很多材料在高温长时工作后，延伸率降低，往往会发生脆 性破坏，如汽轮机中螺栓的断裂，锅炉中导管的脆性破坏 等。9-3蠕变中组织的变化、变形和断裂机制蠕变过程中合金组织 的变化：高温蠕变中的滑移变 形会出现新的滑移系。 且不像室温那样均匀 分布，而是有些晶粒 的变形较大，另一些 晶粒的变形较小。按蠕变期间是否发生回复再结晶将蠕变分为以下 两大类：低温蠕变和高蠕蠕变。低温蠕变是指蠕变期间完全不发生回复再结晶现 象；而高温蠕变是指蠕变期间同时进行回复、再结晶 过程。蠕变再结晶温度比通常的再结晶温度要低。蠕变机理：(1)蠕变中的强化和软化蠕变过程中位错因受到各种障碍的

5、阻滞产生塞积现象, 滑移便不能继续进行。只有施加更大的外力才能引起 位错重新运动和继续变形，这就是强化。但蠕变是在恒应力下进行的，位错可借助于热激活来 克服某些障碍，使得变形不断产生，这就是软化。这种结果可以作如下解释:在蠕变初期，最容易激活的位错首先运动产生蠕变，随着时间的增加, 易动的位错消耗完毕，剩下的位错运动需要比较高的激活能，因而蠕 变对激活能的要求越来越高。若是低温蠕变，易动位错随时间而减少，出现了减速蠕变阶段。而高 温时，蠕变可能靠原子扩散使位错产生攀移，这样回复过程就可不断 取得进展。整个蠕变过程中，材料的强化和软化是一起发生的。位错 的交截、塞积阻碍了位错的运动，强化便产生了

6、；而位错从障碍中解 脱出来重新运动造成软化和继续变形。温度提供热激活的能量，帮助 位借摆脱障碍引起进一步的变形。(2)扩散蠕变在蠕变温度高、蠕变速度 又较低的情况下，会发生 以原子作定向流动的扩散 蠕变。空位将会从拉应力 区域沿着应力梯度扩散到 压应力区域，而原子则作 相反方向的运动。扩散的 路径可能是沿着晶内或晶 间进行。(3)蠕变中的晶界运动当温度较高时，晶界运动也是蠕变一个组成部分。 一种是晶界滑动，即晶界两边晶体沿晶界相错动；另一种是晶界沿着它的法线方向迁移。晶界滑动引起的硬化可通过晶界迁移得到回复。晶界运动所引起的变形占总蠕变量的比例并不大，即便在 较高吋晶界滑移引起的变形占总蠕变量

7、的比例仅为10%蠕变损伤与断裂机制：金属在高温持久载荷作用下的断裂，多数为沿晶 断裂。可见蠕变造成的损伤主要产生在晶界。细化晶粒是室温下强韧化金属材料的极其重要的 手段，但是在高温条件下可能会出问题。这是因为晶内强度和晶界强度随温度升高而降低, 但晶界强度降低较快。在某一温度下晶界强度与晶内强度 相等，这个温度被称为“等强温 度”。在等强温度以上时，晶界强度低于 晶内，故常常发生沿晶断裂。而在 1 等强度以下情况恰好相反。所以材料在等强度温度以上工作时， 应使晶粒适当粗化，这样不仅减少 了晶界面积，而且也减少了高能晶 0 界，从而使晶界扩散有所减缓。等强温度并非固定不变，它是随变形速率的增加而

8、升高。等强温度示意图9.4应力松弛应力松弛现象：零件或材料在总应变保持不变，但其中应力随着 时间自行降低的现象，叫应力松弛。零件总应变可写作弹性应变和塑性应变之和，即8 = 8e+8 p =常数由于随着时间增长，一部分弹性变形转变为塑性变形，即 弹性应变we不断减小，所以零件中的应力相应地降低。零 件中弹性变形的减小与塑性变形的增加是同时等量产生的。蠕变与松弛在本质上差别不大，可以把松弛现象看作是应 力不断降低时的“多级”蠕变。某些材料即使在室温下也 存在应力松弛现象，但进行的非常缓慢，在高温下这种现 象却比较明显。松弛现象在工业设备的零件中是较为普遍存在的。例如。 高温管道接头螺栓需定期再拧

9、紧一次，以免发生泄漏事故。9.5材料的高温热暴露热暴露(Thermal exposure)又称作高温浸润。材料在高温下即使不受力，长时间处于高温条件下也可使 其力学性能发生变化，通常导致室温和高温强度下降，脆 性增加，并称作为热暴露效应。原因是材料的组织发生变化、环境中的氧化和腐蚀导致力 学性能发生变化。因此，热暴露效应不仅与材料有关(因 为组织、结构和性质不同)，还与环境有关。外氧化与内 氧化。评定热暴露效应可采用以下方法：测量暴露温度T下，经过t小时热暴露后的 室温及高温瞬时拉伸强度和塑性。9.6高温疲劳及疲劳与蠕变的交互作用通常我们把高于再结晶温度所发生的疲劳 叫高温疲劳。高温疲劳除与室温疲劳有类 似的规律外，还在自身的一些特点。高温疲劳的一般规律 无论光滑试样或缺口试样，总的趋势是 试验温度提高，高温疲劳强度降低。据统 计，当温度上升到以上时，每升高