金属高温力学性能

金属高温力学性能第一页，共十二页，2022年，8月28日2

§8.1材料的高温性能

锅炉、汽轮机、发动机，飞船的外壳等，长期在高温条件下工作。

故对材料的高温性能有一定或特别的要求。

8.1.1常见的高温性能

(1)抗（高温）氧化性

(2)热强性材料在高温、长时间和应力的作用下，抵抗变形和断裂的能力。（包括：持久强度、蠕变强度、高温疲劳强度、高温硬度等）第二页，共十二页，2022年，8月28日38.1.2影响高温强度的因素

高温σb=f(t，τ，v)(1)温度t

温度的高低，是相对金属的熔点而言。

故采用约比温度（试验温度/材料熔点）“t/tm”描述温度的“高”或“低”；

另，还有：“弹塑性转变温度”；“晶粒与晶界的等强温度”TE（图8-1）。(2)时间τ随加载时间延长，σb↓，蠕变行为。(3)变形速率v（该值增大相当于受载截面的应力升高）

等强温度TE随变形速率v↑而↑。Note：高温（>TE）时，受载材料的断裂将由穿晶→沿晶方式，a图第三页，共十二页，2022年，8月28日4§8.2金属的蠕变及其断裂8.2.1蠕变

(1)蠕变、蠕变断裂

材料（金属）在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑变的现象—→蠕变。由蠕变变形导致的断裂—→蠕变断裂。（VS）应力松驰：在给定温度和初始应力条件下，金属材料所受应力随时间增加而减小的现象）

(2)蠕变曲线（特点）1）减速蠕变阶段，开始大，逐渐减速；δq——高温、外载作用下，产生的初始塑性变形；经过τ1时间，由δq升至δ’。2）恒速蠕变阶段τ2，速度几乎保持不变；一般所指金属蠕变速率，即指这一段的。3）加速蠕变阶段τ3，蠕变速度渐增，终→断裂。

(3)应力和温度对蠕变曲线的影响

应力较小♀或温度较低时，第二阶段较长，第三阶段很短；反之，第二阶段很短，很快断裂。（见图8-2）第四页，共十二页，2022年，8月28日58.2.2蠕变机理

(1)位错运动外来热激活能，有利于增强位错运动（滑移、攀移、交滑移等），使其克服短程障碍。∴材料发生塑性变形。蠕变第一阶段，蠕变变形而产生形变硬化，蠕变速率↓。也称为“减速蠕变阶段”。

第二阶段：动态回复（软化），硬化与软化达到平衡，蠕变速率为一常数。第三阶段，在位错运动、动态回复（软化）过程中，因晶粒变得越来越细，致使蠕变加速（位错运动+晶粒转动，即晶界滑动），材料断裂。(2)扩散性蠕变

当约比温度>0.5，在高温和应力作用下，空位、原子的定向扩散（不均匀应力场）。∴材料产生蠕变。(3)晶界滑动

高温和应力的作用下，晶粒发生转动（即晶界滑动）。

∴当晶粒减小，晶界滑动对蠕变的作用越大。第五页，共十二页，2022年，8月28日68.2.3蠕变断裂机理(1)裂纹萌生1）三晶粒交会处萌生楔形裂纹（高应力，低温度）原因：晶界滑动，三晶粒交会处造成应力集中，形成空洞，空洞相互连接，便形成楔形裂纹。2）晶界上空洞汇聚（低应力、高温度）

相变形成空洞，第二相质点附近，晶界滑动产生的空洞；空洞长大，汇聚形成裂纹。(2)裂纹扩展(3)断裂沿界断裂，高温氧化，夹杂物断口宏观特征：断口附近产生塑性变形；变形区域有很多裂纹（龟裂）；高温氧化。（高应力、低温度）（低应力、高温度）第六页，共十二页，2022年，8月28日7§8.3高温力学性能及其影响因素

8.3.1蠕变极限相对指标（t、）

例如：表示：在600℃，稳态蠕变速率

=1×10-5%/h的强度60MPa。又如(规定温度t、时间τ，蠕变总伸长δ)表示500℃，10万小时，总伸长率为ε=1%的蠕变极限为100MPa。

具体选用哪种表示方法，~根据服役工况来定。

“测定蠕变强度的装置和方法”

第七页，共十二页，2022年，8月28日88.3.2持久强度极限在规定温度（t），达到规定的持续时间（τ）而不发生断裂的应力值

通过高温拉伸持久试验测定

由于时间长，一般是作lgσ～lgτ曲线，用外推法计算持久强度值。

如高温合金在700℃，1000小时的持久强度极限为30MPa持久塑性试样断裂后的伸长率及断面收缩率。第八页，共十二页，2022年，8月28日98.3.3剩余应力材料抵抗应力松驰的性能称为松驰稳定性。应力松驰曲线

Via变形量衡定，测试加载应力随时间延长而降低的曲线。任一时间，试样上所保持的应力称为剩余应力σsh初始应力与剩余应力之差，称为松驰应力。σso

第九页，共十二页，2022年，8月28日108.3.4、影响高温力学性能的因素(1)材料本身（材质）

1）熔点高，自扩散激活能高的金属或合金，增大晶格阻力。

2）显微组织

晶粒直径适当加大；结构复杂的第二相，并形成网状骨架；(2)提高冶炼质量和采取热处理减少低熔点夹杂物；晶内形成多边化的亚晶界（热处理后）。第十页，共十二页，2022年，8月28日11§8.4其他高温力学性能8.4.1高温短时拉伸性能（火箭、导弹发射）

瞬时高温强度；热塑性（蠕变不起决定作用）。8.4.2高温硬度

工具材料（红硬性），高温轴承。

测高温硬度的压头。

第十一页，共十二页，2022年，8月28日12高温力学性能与室温力学性能的对比性能特点：高温室温

σb=f(t,τ)σb=C,σs=C

蠕变，应力松驰，

蠕变与疲劳的交互作用变形机制：

不会产生孪晶；滑移、晶内滑移和孪晶

+晶界弱化而致滑动。晶界起阻碍作用提高力学性能：

增大晶格阻力