金属高温力学性能

1、1,第八章 金属高温力学性能 在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机等设备中，很多机件长期在高温下服役。对于这类机件的材料，只考虑常温短时静载时的力学性能是不够的。 如化工设备中高温高压管道，虽然承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中会产生连续的塑性变形，即蠕变现象，使管径逐步增大，甚至会导致管道破裂。,2,对长期在高温条件下工作的金属机件，如果仅考虑常温短时静载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影响很大。 1、温度的影响：一般随温度升高，金属材料的强度降低而塑性增加。 2、载荷持续时间的影响：如果不考虑环境介质的影响，则可认为材料的常温

2、静载力学性能与载荷持续时间关系不大。但在高温下，载荷持续时间对力学性能有很大影响。,3, s ，长期使用过程中，会产生蠕变 ，可能最终导致断裂。 随载荷持续时间的延长，高温下钢的rm降低。 在高温短时拉伸时，材料的塑性增加；但在长时载荷作用下，金属材料的塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂。 温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路径。,4,3、等强温度 随试验温度的升高，金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂过渡到沿晶断裂。 原因：温度升高时，晶粒强度和晶界强度都降低，（如图所示）但由于晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此晶界强度下降较快。 等强温度 晶粒与晶界两者强度相等的

3、温度。用te表示。 等强温度随变形速率的增加而升高。这是由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶粒大得多。,5,金属材料在高温下的力学性能，还必须加入温度和时间两个因素，研究温度、应力、应变与时间的关系，才能建立评定金属材料高温力学性能指标。 4、约比温度 定义：试验温度t与金属熔点tm的比值（t/tm）。t，tm均为绝对温度。 衡量：当t/tm 0.5时，为“高温”；反之则为“低温” 。 意义：对于不同的金属材料，在同样的约比温度下，其蠕变行为相似，其力学性能变化规律也是相同的。,6,81 金属的蠕变现象 一、蠕变的定义 金属在长时间恒温、恒载荷（即使应力小于该温度下的屈服强度）作用下缓慢地产生

4、塑性变形的现象。 由蠕变变形导致的材料的断裂，称为称为蠕变断裂。 蠕变在低温下也会产生，但只有当约比温度大于0.3时才比较显著。如碳钢超过300、合金钢超过400时就必须考虑蠕变的影响。,7,二、金属的蠕变过程 金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线如图所示。 按蠕变速率的变化，曲线可以分为三个阶段： 第一阶段：ab 减速蠕变阶段，又称过渡蠕变阶段。开始大，逐渐减速； 第二阶段：bc 恒速蠕变阶段，又称稳态蠕变阶段。速率几乎保持不变； 第三阶段：cd 加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断裂。,8,同一材料的蠕变曲线随着温度高低及应力的大小而有不同。如图所示 应力较小、温度较低时：蠕变的

5、恒速蠕变阶段持续时间长，甚至不出现加速蠕变阶段； 应力较大、温度较高时：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，主要为加速蠕变。,9,应力松弛 由于金属在长时高温载荷下会产生蠕变现象，对于在高温下工作、依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，如高温管道内用的螺栓等，随时间的延长，在总变形量不变的前提下，弹性变形变为塑性变形，从而使工作应力降低，导致失效。 在温度及初始应力一定时，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。 可以看成应力不断降低条件下的蠕变过程。 注意：应力松弛与蠕变的区别,10,8-2 蠕变变形与蠕变断裂机理 一、蠕变变形机理 金属的蠕变变形主要通过位错

6、滑移、原子扩散等机理进行，与温度及应力的变化有关。 （一）位错滑移蠕变 常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移就不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和增殖。 高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散克服某些短程障碍，有利于加强位错的运动（滑移、攀移、交滑移等），克服短程障碍。从而产生塑性变形。,11,高温下的热激活过程主要是刃型位错的攀移，模型。如图所示 当塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移面上运动，或与异号位错相遇对消、或形成亚晶界、或被晶界吸收。 当塞积群中某一位错被激活发生攀移时，位错源便可能再次放出一个位错，从而形成动态回复过程，蠕变得以不断发展

7、。,12,在蠕变第一阶段：由于蠕变变形逐步产生应变硬化，使位错源移动的阻力及位错滑移的阻力逐渐增大，使得蠕变速率不断降低。也称为“减速蠕变阶段”。 蠕变第一阶段是很短的，不超过几百小时。一般在高温下工作的机件所要求的寿命都设定在蠕变第二阶段。 在蠕变第二阶段：动态回复（软化），硬化与软化达到平衡，蠕变速率为一常数。,13,（二）扩散蠕变 这是在较高温度下的一种蠕变变形机理，约比温度t/tm0.5。 高温和应力的作用下，空位、原子的定向扩散（不均匀应力场）。 材料产生蠕变。 承受拉应力（a、b晶界）的晶界，空位浓度减小；承受压应力（c、d晶界）的晶界，空位浓度增加。如图所示 这种晶体内空位从受拉

8、晶界向受压晶界迁移，原子朝相反方向运动，使得晶体伸长的蠕变，称为扩散蠕变。,14,（三）晶界滑动 高温和应力的作用下，因晶界上的原子容易扩散，受力后晶界易产生滑动（即晶粒发生转动），也促进蠕变进行。 晶界滑动对蠕变的贡献较小，一般在10左右；此机理不是独立的机理，因晶界滑动要与晶内滑移变形相配合，否则不能维持晶界的连续性，导致晶界产生裂纹。 晶粒减小，晶界滑动对蠕变的作用越大。,15,二、蠕变断裂机理 实验表明，不同温度及应力条件下，晶界裂纹的形成方式有两种： 1、在三晶粒交会处形成楔形裂纹 这是在高应力和低温下，由于晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞互相连接形成楔形裂纹。

9、如图所示,16,2、在晶界上由空洞形成晶界裂纹 这是较低应力和较高温度下产生的裂纹。 这种裂纹出现在晶界上突起的部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动产生空洞，这些空洞长大并连接，就形成裂纹。如图所示 由于蠕变断裂主要在晶界上产生，所以晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。,17,三、断口特征 1、宏观特征 (1) 断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹（断裂机件表面出现龟裂现象）； (2) 由于高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。 2、微观特征 冰糖状花样的沿晶断裂。,18,8-3 高温力学性能指标及其影响因素 一、蠕变极限 为了

10、保证高温长时载荷作用下的机件不会产生过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。 1、定义 是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。,19,2、表达方式 (1) 在规定温度（t）下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速率 不超过规定值时的最大应力，用 表示 。 例如： 表示：在600，稳态蠕变速率 =110-5%/时的蠕变极限为60mpa。,20,(2) 在规定温度（t）与试验时间（）内，使试样产生的蠕变总伸长率（）不超过规定值的最大应力。用符号 表示。 例如： 表示：材料在500温度下，10万小时，蠕变总伸长率=1%的蠕变极限为100mpa。 3、选取 选用哪种表示方法，根据服役工况来确定

11、。若蠕变速率大而服役时间短，可取表示方法。反之，服役时间长，则取后一种表示方法。,21,4、测试 蠕变试验装置，如图所示。 具体试验时，在同一温度下要用4个以上的不同应力进行蠕变试验，到规定的时间（数百至数千小时）后停止； 根据实验结果绘出应力-稳态蠕变速率或应力-总伸长率关系曲线；如图所示 再用内插法或外推法求蠕变极限。 注意：用外推法时，蠕变速率只能比最低试验点的数据低一个数量级；否则，外推值不可靠。,22,二、持久强度极限 1、定义 在规定温度（t）下，达到规定的持续时间（）而不发生断裂的最大应力。用 表示。 2、选取 对于设计某些在高温运转过程中不考虑变形量大小，而只考虑在承受给定应力

12、下使用寿命的机件，一般选取持久强度。 如锅炉的过热蒸气管，持久强度极限是很重要的性能指标。,23,3、测试 通过高温拉伸持久试验测定。不需要测定样品的伸长量，只要测定试样在规定时间和应力作用下至断裂的时间。 对于设计寿命几百至数千小时的机件，材料的持久强度极限可直接用同样的时间进行试验确定。 对于寿命长的机件，使用数万以上小时，不可能长时间做测试，所以类似于蠕变试验，一般做应力较大、时间较短（数百小时）的试验数据，绘出直线，通过外推法来求持久强度极限。如图所示,24,三、剩余应力 1、松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。可通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。 2、金属的松弛曲线：在规

13、定温度下，对试样施加载荷，保持初始变形恒定，测定试样上的应力随时间延长而降低的曲线。如图所示 3、剩余应力：应力松弛试验中任一时间试样上所保持的应力，用r（以前用sh）。是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。 4、松弛应力：试样上所减少的应力，即初始应力与剩余应力之差，用re表示（以前用so） 。,25,对于不同金属材料或同种材料经过不同的热处理，在相同试验温度和初始应力下，经规定时间后，剩余应力越高，松弛稳定性越好。 例如：20cr1mo1v1钢广泛应用于气轮机、燃气轮机紧固件，经过不同的热处理工艺（正火、油淬回火）后的应力松弛曲线（初始应力0300mpa）如图所示。可见，正火工艺的剩余应力高

14、，说明其具有较好的应力松弛稳定性。,26,四、影响金属高温力学性能的主要因素 根据蠕变变形与断裂机理可知，要提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速率，要提高持久强度极限，必须控制晶界的滑动。 也就是说要提高金属材料的高温力学性能，就应控制晶内及晶界的原子扩散过程。这主要取决于合金的化学成分、冶炼工艺、热处理工艺等因素。,27,（一）合金化学成分的影响 位错越过障碍所需的蠕变激活能越高的金属，越难产生蠕变变形。 实验表明纯金属的蠕变激活能大约与其扩散激活能接近，所以耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。 可加入：熔点高的me ，含有能形成弥散相的me、能增加晶界

15、扩散激活能的me（硼、稀土）。详细如下,28,(1) 在基体中加入铬、钼、钨、铌等me形成单相固溶体，除产生固溶强化外，还因me使层错能降低，易形成扩展位错，且溶质原子与溶剂原子的结合力较强，增大了扩散激活能，从而提高蠕变极限。 (2) 加入能形成弥散相的me，弥散相能强烈阻碍位错的滑移，是提高高温强度的有效方法。弥散相粒子硬度越高，弥散度越大，稳定性越高，则强化作用越好。 (3) 添加能增加晶界扩散激活能的me，如硼、稀土等，既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹面的表面能，对提高蠕变极限和持久强度极限有效。,29,（二）冶炼工艺的影响 冶炼时：尽量减少夹杂物和某些冶金缺陷。 各种耐热钢及高温合金

16、对冶炼工艺的要求较高，由于钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度极限降低。 高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格，即使含量只有十万分之一，当其在晶界偏聚后，会导致晶界的严重弱化，使热弹性降低。,30,（三）热处理工艺的影响 不同钢种其热处理工艺不同。 例：珠光体耐热钢一般采用正火+高温回火工艺，正火温度较高，以促使碳化物充分溶于奥氏体中，回火温度高于使用温度100150，以提高使用温度下的组织稳定性。 采用形变热处理改变晶界的形状，形成锯齿状，并在晶内形成多边化的亚晶界，则可使合金进一步强化。,31,（四）晶粒度的影响 使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度； 使用温度高于等强温

17、度时，粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持久强度极限，但晶粒太大会降低高温下的塑性与韧性。随合金成分及工作条件不同有一最佳晶粒度范围； 晶粒度不均匀，会显著降低其高温性能，这是由于在大小晶粒交界处易产生应力集中形成裂纹。,32,8-4 其他高温力学性能 一、高温短时拉伸性能 （火箭、导弹发射） 瞬时高温强度；热塑性；蠕变不起决定作用时。 二、高温硬度 工具材料（红硬性），高温轴承。 测高温硬度的压头。,33,高温力学性能与室温力学性能的对比 高 温 室 温 性能特点： b=f(t, ) b=c, =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 晶界起主要作

18、用 晶界起阻碍作用 提高力学性能： 增大晶格阻力 细化晶粒 减少晶界面积（粗化晶粒） 提高位错密度 提高扩散热激活能 强化（合金化、第二相） 形成复杂、网状的第二相,34,作业 p170 1；2；6。 思考题 p170 3；4。,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,试样7卡在夹头8上，然后置于电炉6中加热，试样温度用捆在试样上的热电偶5测定，炉温用铂电阻2控制，通过杠杆3和砝码4对试样加载，使之承受一定的拉应力，试样的伸长量用安装在炉外的引伸计1测量。,46,用于金属材料、非金属材料的拉伸蠕变、压缩蠕变及持久强度试验。可以测量稳态蠕变速率、蠕变极限、蠕变伸长率、持久断裂时间、持久强度极限、持久缺口敏感系数等力学性能指标