工学金属的力学性能第八章金属高温力学性能课件

第八章金属高温力学性能历史背景：(1)古代，人们发现悬挂的铅管自身伸长现象。(2)1905年菲利普斯发表关于金属丝、橡胶、玻璃在恒定拉应力作用下缓慢延伸的实验结果。1第八章金属高温力学性能历史背景：1

(3)1922年狄根逊提出，在相当长时间内承受应力时，尤其是在高温下，任何材料在低于σb(室温或试验温度)时也会发生破坏——蠕变的研究。现当代：

火箭发动机、汽轮机、石油化工机械等发展—高温(T)、长期(t)。2(3)1922年狄根逊提出，在相当长一、温度对金属材料机械性能影响1、通常金属的变形抗力随温度↑而↓：随T↑,σ、HB↓。2、原因—晶格阻力下降，原子活动能力提高。(1)位错运动障碍↓；(2)位错运动方式↑：交滑移、攀移；(3)存在回复、再结晶等软化机制；(4)存在晶界运动等形变机制。3一、温度对金属材料机械性能影响3二、时间对金属材料力学性能的影响高温下力学性能与载荷持续时间关系很大。例如：钢的σb随载荷持续时间↑而↓。故：(1)常温下研究时：应力－应变曲线。(2)高温下研究时：应力－应变+温度+时间。4二、时间对金属材料力学性能的影响4三、温度和时间对断裂路径的影响温度T↑，载荷t↑，断裂由穿晶断裂过渡到沿晶断裂。原因：随温度T↑，晶界强度下降速度快于晶内强度的下降。5三、温度和时间对断裂路径的影响5四、等强温度(TE)概念晶粒与晶界两者强度相等的温度，称为等强温度。T<TE时，穿晶断裂。T>TE时，沿晶断裂。6四、等强温度(TE)概念6图8-1温度和变形速率对金属断裂路径的影响(a)等强温度TE(b)变形速率对TE的影响

晶界强度对变形速度的敏感性比晶内强度大，所以，变形速率↑，TE↑。7图8-1温度和变形速率对金属断裂路径的影响晶界强度对

(1)当约比温度>0.5时——高温状态。(2)当约比温度<0.5时——低温状态。(3)不同的金属材料，在同样的约比温度下，其蠕变行为相似，力学性能的变化规律也是相同的。五、高温和低温的判定8(1)当约比温度>0.5时——高温状态。五、高温和一、蠕变现象1、蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象，称为蠕变。约比温度T/Tm>0.3时须考虑。2、蠕变断裂：由蠕变而最后导致材料的断裂。§8.1金属的蠕变现象9一、蠕变现象§8.1金属的蠕变现象93、蠕变曲线

图8-2典型蠕变曲线103、蠕变曲线图8-2典型蠕变曲线10

(1)第一阶段：减速蠕变阶段也称过渡蠕变阶段、初级蠕变或第一阶段蠕变，Primarycreep。加工硬化占主体。(2)第二阶段：恒速蠕变阶段也称稳态蠕变阶段、第二阶段蠕变或二级蠕变，secondarycreep。加工硬化与回复等软化机制作用相等。11(1)第一阶段：减速蠕变阶段11

(3)第三阶段：加速蠕变阶段随τ↑，蠕变速率↑，直至蠕变断裂。也是一个裂纹形成和扩展的过程。注：同一材料的蠕变曲线随应力、温度而变。图8-3(a)恒温改变应力；(b)恒应力下改变温度12(3)第三阶段：加速蠕变阶段图8-3

应力松弛：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。13应力松弛：在规定温度和初始应力条件下，金属材1、蠕变的变形机制(1)常温下：位错的增殖与运动→产生塑性变形→位错运动受阻→变形停止。(2)但在高温下：外界提供热激活能，促进原子扩散→位错持续运动→产生了蠕变变形。§8.2蠕变变形与蠕变断裂机制141、蠕变的变形机制§8.2蠕变变形与蠕变断裂机制14

(1)位错滑移蠕变变形时，温度升高，原子扩散加剧，促进位错攀移引起动态回复，形成亚晶，导致位错运动阻力下降，从而可以进一步蠕变变形，动态回复起主要作用。图8-4刃型位错攀移克服障碍的模型15(1)位错滑移蠕变图8-4刃型位错攀移克

(2)扩散蠕变在更高温度(甚至接近于Tm时)→原子扩散进一步加剧→较多数量的原子(空位)直接发生迁移性扩散→扩散蠕变。图8-5扩散蠕变模型16(2)扩散蠕变图8-5扩散蠕变模型16

(3)扩散蠕变蠕变的协调机制-晶界滑动多晶体材料中原子受压的晶界向受拉晶界扩散，结果使每一个晶粒都独立发生变形，向拉应力方向伸长。这种晶粒形状的变化必须通过晶界滑动来协调，否则就会在受压晶界形成空隙。图8-6晶界滑动17(3)扩散蠕变蠕变的协调机制-晶界滑动图8-6图8-7晶界滑动的协调机制18图8-7晶界滑动的协调机制18

晶界滑动使晶粒2的上半部分向左移动而下半部分向右移动。在1/2晶界上物质堆积而2/3晶界上产生空隙。必须通过晶粒2中心附近的滑移造成塑性流动来消除，即通过晶内塑性变形来协调晶界滑动。19晶界滑动使晶粒2的上半部分向左移动而下半部分

(4)高温塑性变形机制图单晶体的高温蠕变机制主要包括位错滑移、攀移和扩散蠕变。在高温下，由位错和空位控制的蠕变机制，由于应变速率、应力和温度的不同，又存在不同的形式。包括热激活滑移机制、位错芯区扩散控制的低温位错攀移蠕变、晶格点阵扩散控制的高温位错攀移蠕变、晶格扩散控制的N-H蠕变和晶界扩散控制的Coble蠕变。20(4)高温塑性变形机制图20

对于给定的材料，在一定温度/应力下某一变形机制占优势，当温度/应力条件改变时变形机制也可能发生变化。换句话说，在一定温度/应力下可能有多种变形机制起作用，如位错攀移蠕变和空位扩散蠕变同时发生，但温度高、应力低时扩散蠕变所产生的应变量比攀移蠕变产生的应变量大，此时“占优势”的机制是扩散蠕变。材料的变形机制图就是该材料在给定的温度/应力下占优势的变形机制及变形速率的图示。21对于给定的材料，在一定温度/应力下某一变形机图8-8纯镍的应力-温度变形机制图22图8-8纯镍的应力-温度变形机制图222、蠕变断裂机制主要是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的，宏观上为典型的脆性破坏。(1)机制一：在三晶粒交会处形成楔形裂纹高应力，较低温度下，晶界滑动在三晶粒交汇处受阻→应力集中→形成空洞→相互连接形成楔形裂纹→长大→引起断裂(晶界)。232、蠕变断裂机制23图8-9三岔晶界处形成楔形裂纹

(2)机制二：在晶界上由空洞形成晶界裂纹较低应力，较高温度下，当晶界受垂直拉应力作用时，周围晶界或晶粒内部的空穴聚集于此晶界，形成空洞核心→空洞超过临界尺寸(r)而稳定存在→长大→引起断裂。24图8-9三岔晶界处形成楔形裂纹(2)机制图8-10晶界滑移形成空洞示意图25图8-10晶界滑移形成空洞示意图25一、蠕变极限

蠕变极限：是金属材料在高温长期载荷作用下的塑性变形抗力指标。

蠕变极限的表示方法之一：在给定的温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力。§8.3金属高温力学性能指标及其影响因素600℃1×10-5%/h26一、蠕变极限§8.3金属高温力学性能指标及其影响因素600

蠕变极限的表示方法二：在给定温度t和规定时间τ(小时)内，使试样产生规定蠕变变形量δ的最大应力。500℃100000h总伸长量为1%27蠕变极限的表示方法二：在给定温度t和规定时间τ(小时)二、持久强度极限

蠕变极限：高温长期载荷下对塑性变形的抗力(考虑了变形量)。

持久强度极限：高温长期载荷下对断裂的抗力(不考虑变形量)，指的是在给定温度t下，达到规定的持续时间τ而不发生断裂的最大应力，以MPa表示。28二、持久强度极限282929三、剩余应力1、应力松弛定义具有恒定总变形的试件中，随着时间的延长自行减低应力的现象，称为应力松弛；材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性。图8-11金属应力松弛曲线松弛应力剩余应力30三、剩余应力图8-11金属应力松弛曲线松弛应力剩余应力30

(1)剩余应力σsh是评定金属材料松弛稳定性的指标。剩余应力愈高，松弛稳定性愈好。(2)松弛稳定性可用以评价材料在高温下的预紧能力。31(1)剩余应力σsh是评定金属材料松弛稳定2、蠕变与松弛过程比较

蠕变：应力保持不变，塑性变形和总变形随时间延长而增大。

松弛：总应变量保持不变，随时间延长，塑性变形不断取代弹性变形，使弹性应力不断降低。蠕变和松弛在本质上并无区别，松弛现象可看成是一种在应力不断减少条件下的蠕变过程；通常蠕变抗力高的材料，应力松弛抗力一般也高。322、蠕变与松弛过程比较32四、影响金属高温力学性能的主要因素1、合金化学成分的影响(1)熔点高，自扩散激活能大，层错能低的金属或合金，蠕变极限↑。(2)加入Cr，Mo，W，Nb，使固溶强化，↓层错能，↑扩散激活能，↑蠕变极限。

(3)加入合金元素，生成弥散相，阻碍滑移和攀移，↑高温强度。33四、影响金属高温力学性能的主要因素33

(4)加入B，Re等，↑晶界扩散激活能，阻碍晶界滑动，↑晶界裂纹表面能，↑高温强度。2、冶炼工艺的影响(1)↓杂质元素和气体含量，↓晶界偏聚，↓晶界弱化作用。(2)定向凝固，↓横向晶界。例：汽轮机叶片。34(4)加入B，Re等，↑晶界扩散激活能，阻碍晶界滑动3、热处理工艺的影响(1)珠光体耐热钢：↑正火温度，使碳化物充分均匀溶解于A；回火应高于使用温度100-150℃，↑组织稳定性。(2)A耐热钢：固溶，时效，使碳化物沿晶界呈断续链状析出。(3)形变热处理改变晶界形状(形成锯齿状)，在晶内造成多边化的亚晶。353、热处理工艺的影响354、晶粒度的影响T<TE，细晶粒钢强度高；T>TE，粗晶粒钢强度高。采用适当的晶粒度，例2-4级，因为晶粒太大，δ↓，Ak↓例如：A耐热钢取2－4级，且晶粒度要均匀。364、晶粒度的影响361、考核内容及要求(1)(平时+作业+实验)30%，考试70%。(2)各项考核内容以笔记为准。2、题型特点及内容重点(1)名词解释，填空题，单选题，问答题，计算题；(2)必须记格里菲斯公式、理论断裂强度公式、塑性尺寸尺寸公式、中心穿透型裂纹的断裂韧度修正公式(半椭圆裂纹不用记)。371、考核内容及要求37第八章金属高温力学性能历史背景：(1)古代，人们发现悬挂的铅管自身伸长现象。(2)1905年菲利普斯发表关于金属丝、橡胶、玻璃在恒定拉应力作用下缓慢延伸的实验结果。38第八章金属高温力学性能历史背景：1

(3)1922年狄根逊提出，在相当长时间内承受应力时，尤其是在高温下，任何材料在低于σb(室温或试验温度)时也会发生破坏——蠕变的研究。现当代：

火箭发动机、汽轮机、石油化工机械等发展—高温(T)、长期(t)。39(3)1922年狄根逊提出，在相当长一、温度对金属材料机械性能影响1、通常金属的变形抗力随温度↑而↓：随T↑,σ、HB↓。2、原因—晶格阻力下降，原子活动能力提高。(1)位错运动障碍↓；(2)位错运动方式↑：交滑移、攀移；(3)存在回复、再结晶等软化机制；(4)存在晶界运动等形变机制。40一、温度对金属材料机械性能影响3二、时间对金属材料力学性能的影响高温下力学性能与载荷持续时间关系很大。例如：钢的σb随载荷持续时间↑而↓。故：(1)常温下研究时：应力－应变曲线。(2)高温下研究时：应力－应变+温度+时间。41二、时间对金属材料力学性能的影响4三、温度和时间对断裂路径的影响温度T↑，载荷t↑，断裂由穿晶断裂过渡到沿晶断裂。原因：随温度T↑，晶界强度下降速度快于晶内强度的下降。42三、温度和时间对断裂路径的影响5四、等强温度(TE)概念晶粒与晶界两者强度相等的温度，称为等强温度。T<TE时，穿晶断裂。T>TE时，沿晶断裂。43四、等强温度(TE)概念6图8-1温度和变形速率对金属断裂路径的影响(a)等强温度TE(b)变形速率对TE的影响

晶界强度对变形速度的敏感性比晶内强度大，所以，变形速率↑，TE↑。44图8-1温度和变形速率对金属断裂路径的影响晶界强度对

(1)当约比温度>0.5时——高温状态。(2)当约比温度<0.5时——低温状态。(3)不同的金属材料，在同样的约比温度下，其蠕变行为相似，力学性能的变化规律也是相同的。五、高温和低温的判定45(1)当约比温度>0.5时——高温状态。五、高温和一、蠕变现象1、蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象，称为蠕变。约比温度T/Tm>0.3时须考虑。2、蠕变断裂：由蠕变而最后导致材料的断裂。§8.1金属的蠕变现象46一、蠕变现象§8.1金属的蠕变现象93、蠕变曲线

图8-2典型蠕变曲线473、蠕变曲线图8-2典型蠕变曲线10

(1)第一阶段：减速蠕变阶段也称过渡蠕变阶段、初级蠕变或第一阶段蠕变，Primarycreep。加工硬化占主体。(2)第二阶段：恒速蠕变阶段也称稳态蠕变阶段、第二阶段蠕变或二级蠕变，secondarycreep。加工硬化与回复等软化机制作用相等。48(1)第一阶段：减速蠕变阶段11

(3)第三阶段：加速蠕变阶段随τ↑，蠕变速率↑，直至蠕变断裂。也是一个裂纹形成和扩展的过程。注：同一材料的蠕变曲线随应力、温度而变。图8-3(a)恒温改变应力；(b)恒应力下改变温度49(3)第三阶段：加速蠕变阶段图8-3

应力松弛：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。50应力松弛：在规定温度和初始应力条件下，金属材1、蠕变的变形机制(1)常温下：位错的增殖与运动→产生塑性变形→位错运动受阻→变形停止。(2)但在高温下：外界提供热激活能，促进原子扩散→位错持续运动→产生了蠕变变形。§8.2蠕变变形与蠕变断裂机制511、蠕变的变形机制§8.2蠕变变形与蠕变断裂机制14

(1)位错滑移蠕变变形时，温度升高，原子扩散加剧，促进位错攀移引起动态回复，形成亚晶，导致位错运动阻力下降，从而可以进一步蠕变变形，动态回复起主要作用。图8-4刃型位错攀移克服障碍的模型52(1)位错滑移蠕变图8-4刃型位错攀移克

(2)扩散蠕变在更高温度(甚至接近于Tm时)→原子扩散进一步加剧→较多数量的原子(空位)直接发生迁移性扩散→扩散蠕变。图8-5扩散蠕变模型53(2)扩散蠕变图8-5扩散蠕变模型16

(3)扩散蠕变蠕变的协调机制-晶界滑动多晶体材料中原子受压的晶界向受拉晶界扩散，结果使每一个晶粒都独立发生变形，向拉应力方向伸长。这种晶粒形状的变化必须通过晶界滑动来协调，否则就会在受压晶界形成空隙。图8-6晶界滑动54(3)扩散蠕变蠕变的协调机制-晶界滑动图8-6图8-7晶界滑动的协调机制55图8-7晶界滑动的协调机制18

晶界滑动使晶粒2的上半部分向左移动而下半部分向右移动。在1/2晶界上物质堆积而2/3晶界上产生空隙。必须通过晶粒2中心附近的滑移造成塑性流动来消除，即通过晶内塑性变形来协调晶界滑动。56晶界滑动使晶粒2的上半部分向左移动而下半部分

(4)高温塑性变形机制图单晶体的高温蠕变机制主要包括位错滑移、攀移和扩散蠕变。在高温下，由位错和空位控制的蠕变机制，由于应变速率、应力和温度的不同，又存在不同的形式。包括热激活滑移机制、位错芯区扩散控制的低温位错攀移蠕变、晶格点阵扩散控制的高温位错攀移蠕变、晶格扩散控制的N-H蠕变和晶界扩散控制的Coble蠕变。57(4)高温塑性变形机制图20

对于给定的材料，在一定温度/应力下某一变形机制占优势，当温度/应力条件改变时变形机制也可能发生变化。换句话说，在一定温度/应力下可能有多种变形机制起作用，如位错攀移蠕变和空位扩散蠕变同时发生，但温度高、应力低时扩散蠕变所产生的应变量比攀移蠕变产生的应变量大，此时“占优势”的机制是扩散蠕变。材料的变形机制图就是该材料在给定的温度/应力下占优势的变形机制及变形速率的图示。58对于给定的材料，在一定温度/应力下某一变形机图8-8纯镍的应力-温度变形机制图59图8-8纯镍的应力-温度变形机制图222、蠕变断裂机制主要是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的，宏观上为典型的脆性破坏。(1)机制一：在三晶粒交会处形成楔形裂纹高应力，较低温度下，晶界滑动在三晶粒交汇处受阻→应力集中→形成空洞→相互连接形成楔形裂纹→长大→引起断裂(晶界)。602、蠕变断裂机制23图8-9三岔晶界处形成楔形裂纹

(2)机制二：在晶界上由空洞形成晶界裂纹较低应力，较高温度下，当晶界受垂直拉应力作用时，周围晶界或晶粒内部的空穴聚集于此晶界，形成空洞核心→空洞超过临界尺寸(r)而稳定存在→长大→引起断裂。61图8-9三岔晶界处形成楔形裂纹(2)机制图8-10晶界滑移形成空洞示意图62图8-10晶界滑移形成空洞示意图25一、蠕变极限

蠕变极限：是金属材料在高温长期载荷作用下的塑性变形抗力指标。

蠕变极限的表示方法之一：在给定的温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力。§8.3金属高温力学性能指标及其影响因素600℃1×10-5%/h63一、蠕变极限§8.3金属高温力学性能指标及其影响因素600

蠕变极限的表示方法二：在给定温度t和规定时间τ(小时)内，使试样产生规定蠕变变形量δ的最大应力。500℃100000h总伸长量为1%64蠕变极限的表示方法二：在给定温度t和规定时间τ(小时)二、持久强度极限

蠕变极限：高温长期载荷下对塑性变形的抗力(考虑了变形量)。

持久强度极限：高温长期载荷下对断裂的抗力(不考虑变形量)，指的是在给定温度t下，达到规定的持续时间τ而不发生断裂的最大应力，以MPa表示。65二、持久强度极限286629三、剩余应力1、应力松弛定义具有恒定总变形的试件中，随着时间的延长自行减低应力的现象，称为应力松弛；材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性。图8-11金属应力松弛曲线松弛应力剩余应力67三、剩余应力图8-11金属应力松弛曲线松弛应力剩余应力30

(1)剩余应力σsh是评定金属材料松弛稳定性的指标。剩余应力愈高，松弛稳定性愈好。(2)松弛稳定性可用以评价材料在高温下的预紧能力。68(1)剩余应力σsh是评定金属材料松弛稳定2、蠕变与松弛过程比较