8 金属高温力学性能.ppt

1、材料力学性能,武汉科技大学材料与冶金学院 吴志方 E-mail： Tel：63596309,8 金属高温力学性能,锅炉、汽轮机、发动机、飞船的外壳等，长期在高温情况下工作。 对材料的高温性能有一定或特别的要求。 高温服役：研究应力、应变、温度与时间的关系。 温度的高低，是相对金属的熔点而言，故采用约比温度：Trg=T/Tm(单位为K)。Trg0.5，高温；Trg0.5，低温。,一、常见的高温性能,1、抗氧化性 2、抗生长性 3、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。,二、影响高温强度的因素,b=f(T，v) 1、温

2、度 (1) 强度下降：蠕变现象；强度与时间有关系。 (2) 塑性下降：高温短时载荷作用下，塑性升高；高温长时载荷作用，塑性下降。 (3) 断裂形式：穿晶断裂沿晶断裂。 等强温度：晶粒与晶界两者强度相等的温度。 当机件在TE以上工作时，金属的断裂由穿晶断裂过渡到沿晶断裂。,影响高温强度的因素,2、时间 随加载时间延长，b，蠕变行为。 3、变形速率 等强温度随变形速度的增加而升高。,8.1 金属的蠕变现象,一、蠕变及蠕变断裂 金属：T0.30.4Tm；陶瓷：T0.40.5Tm；高分子。 蠕变：材料(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。(注意与应力松驰的区别) 蠕变断裂：由蠕

3、变变形导致的材料的断裂。,二、蠕变曲线,蠕变速率 减速蠕变阶段，开始大，逐渐减速； 恒速蠕变阶段，速度几乎保持不变； 加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断裂。,三、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。,8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理,一、蠕变变形机理 常温下的变形：滑移、孪生。 高温下的蠕变：滑移和攀移交替进行。 蠕变变形机制：两种 位错滑移蠕变 扩散蠕变 这两种蠕变机制之间没有确切的划分界限。,1、位错滑移蠕变,外来热激活能，有利于加强位错的运动(滑移、攀移、交滑移等)，克服短程障碍。材料发生塑性变形。 蠕变第一阶段，蠕

4、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。,蠕变变形机理,2、扩散性蠕变 约比温度0.5。 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。 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)。晶粒减小，晶界滑动对蠕变的作用越大。,二、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) 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

5、；空洞长大，汇聚形成裂纹。,蠕变断裂机理,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。,8.3 高温力学性能指标及其影响因素,一、蠕变极限 定义：在高温长时间载荷作用下，机件不致产生过量塑性变形的拉力指标。 蠕变极限与常温下机件设计选用是相似的。材料蠕变极限中所指定的温度和时间，一般由机件的具体服役条件而定。必须限定应力在一定的温度和时间范围内不发生过量蠕变。,蠕变极限的表示方法,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的最大应力。 2、 在规定温度(t)下和规定的时间()内，

6、使试样产生的蠕变总伸长率()不超过规定值的最大应力。,二、持久强度极限,定义：高温下载荷长期作用时材料对断裂的抵抗能力。 表示方法：在一定温度下和规定的持续时间内引起断裂的最大应力值。 例如 =300MPa，表示材料在700经1000h后发生的断裂应力，即持久强度为300MPa。,持久强度极限,通过高温拉伸持久试验测定。 由于时间长，一般是作lglg曲线，用外推法计算持久强度值。 持久塑性：试样断裂后的伸长率及断面收缩率。,三、剩余应力,松驰稳定性：材料抵抗应力松驰的性能。 应力松驰曲线：变形量衡定，加载的应力随时间延长而降低的曲线。 评定指标：剩余应力(越高，松弛稳定性越好) 应力松弛是蠕变

7、的结果。 剩余应力sh：任一时间，试样上所保持的应力。 松驰应力so：初始应力与剩余应力之差。,四、影响金属高温力学性能的主要因素,由蠕变断裂机理可知要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速度；要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须抑制晶界的滑动，也就是说要控制晶内和晶界的扩散过程。,影响金属高温力学性能的主要因素,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 晶粒度适当加大；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)。,8.4 其它高温力学性能,一、高温短时拉伸性能 高温短时拉伸试验主要是测定金属材料在高于室温时的抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率等性能指标。 二、高温硬度 工具材料(红硬性)，高温轴承。 测高温硬度的压头。 载荷不宜过大，并需根据试验温度的高低改变载荷大小，以保证压痕清晰和完整。,高温力学性能与室温力学性能的对比,1、高温 性能特点：b=f(t，)；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，晶界起主要作用。 提高力学性能：增大晶格