第八章 金属高温力学性能

1、第八章第八章 金属高温力学性能金属高温力学性能南京工程学院材料工程学院南京工程学院材料工程学院2一、举例：一、举例：2020钢在不同温度下的力学性能钢在不同温度下的力学性能淬火低温回火后抗拉强度淬火低温回火后抗拉强度1530MPa；450时测量的抗拉强度是时测量的抗拉强度是320MPa；在在225MPa载荷作用载荷作用300后小时断裂；后小时断裂；在在115Mpa载荷作用载荷作用10000小时断裂；小时断裂；&总结：总结：1、温度对材料的学性能有影响；、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；、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。温度时间载荷决

2、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：（高温对金属力学性能的影响有以下几个方面：（1）在）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；（形，即蠕变现象；（2）高温短时载荷作用下，金属塑性增）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；（形），塑性将显著降低，往往呈脆性断裂；（3）高温下金）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，临界属断裂方式由常温的穿晶断裂逐渐过

3、渡到沿晶断裂，临界温度称为温度称为“等强温度等强温度”。温度对断裂路径的影响温度对断裂路径的影响TE等强温度等强温度4二、材料在二、材料在高温长时载荷高温长时载荷作用下的力学行为作用下的力学行为1、产生缓慢而连续的的塑性变形、产生缓慢而连续的的塑性变形蠕变变形；蠕变变形；2、塑性、塑性，缺口敏感性，缺口敏感性，一般脆性断裂；，一般脆性断裂；高温定义：高温定义： 约比温度约比温度T/Tm0.5。 T试验温度（试验温度（K） Tm金属熔点（金属熔点（K）金属及陶瓷的蠕变现象金属及陶瓷的蠕变现象5 在讨论金属高温力学性能时，通常使用试在讨论金属高温力学性能时，通常使用试验温度验温度T与金属熔点与金属

4、熔点Tm的比值的比值T/Tm（称（称“约比约比温度温度”），）， T/Tm 0.5 时为高温，时为高温，T/Tm 0.5 时为低温。金属的再结晶温度在时为低温。金属的再结晶温度在0.4 0.5 Tm，也就是说使用温度超过再结晶温度即可认为高也就是说使用温度超过再结晶温度即可认为高温。温。681 金属的蠕变金属的蠕变一、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。慢产生的塑性变形。2 2、产生条件：约比温度、产生条件：约比温度T/Tm 0.3 T/Tm 0.3 。热力学温度热力学温度T T 试验温度试验温度TmTm熔点温度熔点温

5、度1 1、蠕变曲线：减速蠕变、蠕变曲线：减速蠕变稳态蠕变稳态蠕变加速蠕变加速蠕变7&水平提高：蠕变各阶段的本质。水平提高：蠕变各阶段的本质。v蠕变将产生应变硬化，使蠕变将产生应变硬化，使位错开动的阻力逐渐增大，位错开动的阻力逐渐增大，因此第一阶段蠕变速率逐因此第一阶段蠕变速率逐渐降低。渐降低。v应变硬化发展到一定程度，应变硬化发展到一定程度，在温度作用下将发生回复在温度作用下将发生回复现象，使金属不断软化。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。一常数，蠕变进入恒速蠕变阶段。83 3、应力松弛

6、、应力松弛 材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性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。应力逐渐降低的现象称为应力松弛。应力松弛现象应力松弛现象应力松弛曲线应力松弛曲线初始应力初始应力0松弛应力松弛应力s0剩余应力剩余应力sh&提示：提示：剩余应力值高，说明材料有较好的剩余应力值高，说明材料有较好的 松弛稳定性。松弛稳定性。9二、蠕变变形机理二、蠕变变形机理1 1、位错滑动、位错滑动 位错激活方式：刃型位位错激活方式：刃型位错攀移、螺型交滑移、位错攀移、螺型交滑移、位错环分解合并等。错环分解合并等。攀移过程示意图攀移过程示意图空位空位102 2、扩散蠕变

7、（晶内）、扩散蠕变（晶内）CD处受压应力，处受压应力，空位浓度低。空位浓度低。AB处受拉应力，处受拉应力，空位浓度高。空位浓度高。空位空位扩散扩散原子原子扩散扩散物质迁移的过程物质迁移的过程变形变形113 3、晶界滑动、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。动，对蠕变产生贡献。晶界滑动蠕变占总蠕变量的比例为晶界滑动蠕变占总蠕变量的比例为1010左右；左右；晶粒晶粒越小越小，滑动对蠕变的，滑动对蠕变的贡献越大贡献越大。&总结：总结：1 1、蠕变第一阶段和第三阶段变形易滑移为主；、蠕变第一阶段和第三阶段变形易滑移为主；2

8、 2、蠕变第二阶段除滑移外还有原子扩散贡献；、蠕变第二阶段除滑移外还有原子扩散贡献；12三、蠕变断裂机理三、蠕变断裂机理1、晶界楔形裂纹模型、晶界楔形裂纹模型蠕变温度下，恒载荷使位于最蠕变温度下，恒载荷使位于最大切应力方向的晶界滑动，在大切应力方向的晶界滑动，在三晶粒交界处形成应力集中。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，形成交界处发生开裂，形成楔形裂纹楔形裂纹。132 2、晶界空洞裂纹模型、晶界空洞裂纹模型晶界滑动与晶内

9、滑移带晶界滑动与晶内滑移带交割形成空洞；交割形成空洞；晶界滑动与第二相质点晶界滑动与第二相质点作用形成空洞；作用形成空洞；143、断口特征、断口特征 蠕变断裂主要发生在晶界上，其断口宏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，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。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。断口的微观特征主要表现为冰糖状断裂形貌。1582 金属高温力学性能金属高温力学性能一、蠕变极限：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、含义：材料在高温恒载作用下对塑性变形的抗

10、力2、表示方法、表示方法:t（1） 规定温度下，使试样产生规定稳态蠕规定温度下，使试样产生规定稳态蠕 变速率的最大应力。变速率的最大应力。:t（2） 规定温度，规定时间，使试样产生规定总规定温度，规定时间，使试样产生规定总 伸长率的最大应力。伸长率的最大应力。16举例：蠕变极限举例举例：蠕变极限举例1、MPa606001015温度6002、MPa905001015h%1015MPa60蠕变极限温度500小时时间510伸长率1MPa60蠕变极限173 3、蠕变极限测定、蠕变极限测定（1 1）在同一温度下，不同应力水平下进行蠕变试验，）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

11、的稳态蠕变速度（获得不同应力条件下的稳态蠕变速度（ ）；）；（2 2）在双对数坐标中绘制应力）在双对数坐标中绘制应力稳态蠕变速率曲线稳态蠕变速率曲线 ( ( 曲线曲线) ) ；（3 3）用图解外推法获得规定较小蠕变速率下的蠕变）用图解外推法获得规定较小蠕变速率下的蠕变 极限极限 ；t18二、持久强度极限二、持久强度极限1 1、持久强度：材料在一定的温度下和规定的时间内，、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。不发生蠕变断裂的最大应力。2 2、表示方法：、表示方法：t举例：MPa307001013温度700小时时间1000MPa30持久强度极限193 3、持久强度

12、的应用、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，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。只要求机件在使用期内不发生断裂。4 4、持久强度测量：高温拉伸持久试验、持久强度测量：高温拉伸持久试验外推法外推法20三、剩余应力三、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，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，以间

13、所保持的应力称为剩余应力，以r 。初始工作应力。初始工作应力与剩余应力之差称为松弛应力，以与剩余应力之差称为松弛应力，以re表示。表示。21四、提高蠕变极限和持久强度的主要途径四、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、增大位错移动和晶界滑移的阻力（1）在等强温度）在等强温度TE以下、应变速率较大时，金属蠕变变形以以下、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。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。（2）在）在TE以上、应变速率较小时，金属蠕变变形以原子扩散以上、应变速率较小时，金属蠕变变形以原子扩散为主。

14、从扩散蠕变考虑，应该选择高熔点、具有密排结构的金为主。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、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。含有弥散相的合金。222、消除有害杂质元素、消除有害杂质元素 杂质元素，如杂质元素，如S, P, Pb, Sb, Sn 等，在晶界上集聚后导等，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温性能。金缺陷（气孔）也会严重降低材料的高温性能。 如果冶炼时加入适量的如果冶炼时加入适量的B 和稀土元素，能够增加晶界和稀土元素，能够增加晶界扩散激活能，既可以阻碍晶界滑移