1、金属金属高温力学性能高温力学性能第七章第七章本章主要内容高温蠕变性能高温蠕变性能其他高温力学性能其他高温力学性能 在航空航天、能源和化工等工业领域，许多机件是在航空航天、能源和化工等工业领域，许多机件是在高温下长期服役的（在高温下长期服役的（如高压蒸汽锅炉、汽轮机、发动机及如高压蒸汽锅炉、汽轮机、发动机及化工炼油设备化工炼油设备等），温度和高温下的持续时间对金属力学性等），温度和高温下的持续时间对金属力学性能的影响很大。能的影响很大。约比温度：约比温度：T/TT/Tmm T T试验温度试验温度 T Tmm材料熔点材料熔点 当当T/TT/Tmm0.4-0.50.4-0.5时为高温，反之为低温时为
2、高温，反之为低温时间是影响材料高温性能的又一重要因素时间是影响材料高温性能的又一重要因素温度对材料的力学性能影响很大温度对材料的力学性能影响很大（1）强度极限随温度上升而下降；（2）断裂方式由穿晶断裂变为沿晶断裂；（3）常温强化手段失效；（4）韧脆特性发生转变。（1）力学性能表现出时间效应：强度极限随时间的延长而下降。第一节 高温蠕变性能金属、陶瓷的蠕变曲线蠕变：蠕变：材料在长时间的恒温，恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象，这种现象导致的材料断裂称为蠕变断裂一、蠕变的一般规律一、蠕变的一般规律材料在高温下力学行为的一个重要特点是产生蠕变。1）蠕变发生在任何温度。低温时不明显，高温时必须考虑。
3、2）蠕变过程可以分成三个阶段。第I阶段 减速蠕变阶段，开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕变速率降低，在B点，蠕变速率达到最小值第II阶段 恒速蠕变阶段，蠕变速率不变（稳态蠕变阶段），表示材料的蠕变速率为常数第III阶段 加速蠕变阶段，蠕变速率，D点发生蠕变断裂蠕变与时间的关系可表示为：)()(0tDttf （a)a)等温曲线（等温曲线（4 43 3 2 2 1 1）(b)(b)等应力曲线（等应力曲线（T T4 4 T T3 3 T T2 2 T T1 1）3）蠕变过程受温度、应力影响(1)(1)位错滑移位错滑移（a a）逾越障碍在新的滑移面上运动（）逾越障碍在新的滑移面上运动（b b）与临
4、近滑移面上的异号位错反应（与临近滑移面上的异号位错反应（c c）形）形成小角晶界成小角晶界 （d d）消失于大角晶界）消失于大角晶界刃型位错攀移克服障碍模型刃型位错攀移克服障碍模型材料的塑性变形由位错滑移引起，当位错运动到一定程度后，位错运动会受阻塞积，常温下如果要继续滑移，必须加大载荷。但在高温下，由于温度的升高，原子和空位热激活增加，位错可以克服某些障碍得以运动，继续产生塑性变形。由于被塞积位错数量减少，位错源的反作用力减少，位错源可以重新开动，位错得以增殖，产生蠕变变形。二、蠕变变形及断裂机理二、蠕变变形及断裂机理1.蠕变变形机理蠕变变形机理在蠕变的第阶段，由于蠕变变形逐渐产生硬化，使位
5、错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低，形成减速蠕变阶段。在第阶段，变形硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，材料不断软化，当变形硬化速率回复软化速率时，蠕变速率为一常数，恒速蠕变阶段。微观机理与宏观规律的对应关系：微观机理与宏观规律的对应关系：扩散蠕变机理示意图扩散蠕变机理示意图 虚线：原子扩散方向虚线：原子扩散方向 实线：空位扩散方向实线：空位扩散方向(2)(2)扩散蠕变机理扩散蠕变机理较高温度下，原子和空位可以发生热激活扩散，在不受外力的情况下，扩散方向是随机的。但是在外力作用下，晶体内部产生不均匀应力场，原子和空穴在不同位置具有不同势能。在拉应力下，空位在A、B位
6、置的势能高于C、D位置，所以空位会往C、D位置扩散。原子扩散方向相反。(3)(3)晶界滑动晶界滑动晶界在外力作用下，会发生相对滑动变形，在常温下可以忽略不计，但在高温下相对滑动会引起明显的塑性变形，产生蠕变。(4)(4)粘弹性机理粘弹性机理高分子材料在恒定应力下，分子链由卷曲状态逐渐伸展，发生蠕变变形。蠕变断裂有两种情况：1）一种情况是对于不含裂纹的高温机件，在高温长期服役过程中，由于蠕变裂纹均匀萌生和扩展以及显微结构变化引起的蠕变抗力的降低引起的断裂；2）另一种情况是高温工程机件中，原来就存在裂纹，其断裂由主裂纹的扩展引起。2.蠕变断裂机理蠕变断裂机理晶间断裂时蠕变断裂的普遍形式。因为高温下
7、，晶界强度比晶内强度更快地下降。通常将晶内强度和晶界强度相等的温度称为等强温度等强温度。模型：模型：(1)(1)晶界滑动和应力集中晶界滑动和应力集中在蠕变温度下，持续的载荷将导致位于最大切应力方向的晶界滑动，这种滑动必然在三晶粒交界处应力集中，如果这种应力集中不能被滑动晶界前方晶粒的塑性变形或晶界迁移所松弛，那么当应力集中达到晶界的结合强度时，在三晶粒交界处必然发生开裂，形成空洞。楔形空洞形成示意图 (2)(2)空位聚集模型空位聚集模型在垂直于拉应力的晶界，当应力水平超过临界值时，通过空位聚集的方式萌生空洞。在应力作用下，空位由晶内和沿晶界继续向空洞处扩散，使空洞长大并相互连接形成裂纹。裂纹形
8、成后，随时间的延长，裂纹不断扩展，达到临界值时，材料发生蠕变断裂。空位聚集形成空洞示意图三、蠕变性能指标三、蠕变性能指标1.蠕变极限蠕变极限蠕变极限、持久强度、松弛稳定性1)在给定温度下，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,定义为蠕变极限，记作两种表示方法：TMPa805001015例如：例如：表示在500摄氏度的条件下，第二阶段的稳定蠕变速率等于1e-5%/h的蠕变极限为80MPa。2)在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定的蠕变应变的最大应力，定义为蠕变极限，记作，例如：例如：表示在500摄氏度的条件下，10000h产生1的蠕变应变的蠕变极限为100MPaTt/MPa10
9、050010000/1nA经验公式：经验公式：正常测试材料蠕变极限方法：在同一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出不少于4条蠕变曲线，求出蠕变曲线第二阶段的斜率。材料在一定的温度下和规定的时间内，材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕不发生蠕变断裂变断裂的最大应力，记作：的最大应力，记作：例：例：表示材料在表示材料在600600下工作下工作1000h1000h的持久强度为的持久强度为200MPa200MPaTtMPa200600103mfAt经验公式：经验公式：2:2:持久强度持久强度 一些高温下工作的紧固零件（如汽轮机缸盖或法兰盘上的紧固螺栓）原具有初始紧固应力i,相应地产生弹性形变为i/
10、E，但经过一段时间后紧固应力不断下降，从而会产生蒸汽泄漏。在铁轨螺栓检修，橡胶带弹性等场合常遇到。3.3.松弛稳定性松弛稳定性 材料在恒变形条件下，随时间的延长，弹性应力逐材料在恒变形条件下，随时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为渐降低的现象称为应力松弛应力松弛（由蠕变引起）。（由蠕变引起）。现象现象:应力松弛现象应力松弛现象是在温度和总应变量不变的情况下，由于弹性是在温度和总应变量不变的情况下，由于弹性变形不断地转化为塑性变形，即逐渐发生蠕变，从而使初始变形不断地转化为塑性变形，即逐渐发生蠕变，从而使初始应力不断下降应力不断下降 。应力松弛是蠕变的结果。应力松弛是蠕变的结果。剩余应力sh是
11、评价材料应力松弛稳定性的一个指标。剩余应力愈高，其松弛稳定性愈好。四四.影响蠕变性能的主要因素影响蠕变性能的主要因素1.内部因素内部因素（1）化学成分化学成分 一般选用熔点高、自扩散激活能大和层错能低的元素及合金。在金属基体中加入合金元素，如果是形成固溶体，除能产生固溶强化，还因为合金元素使层错能降低，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，从而提高了蠕变极限。如果是形成弥散相的合金元素，则由于弥散相能阻碍位错的滑移，提高高温强度。陶瓷材料，由于是共价键或离子键结构，具有很强的方向性，滑移过程会受到很强的静电排斥力作用，因此具有较强的抗蠕变能力。高分子材料的抗蠕变性
12、能较弱。（2）组织结构组织结构 金属材料采用不同的热处理工艺，可以改变组织结构，从而改变热激活的难易程度。如珠光体耐热钢，一般采用正火加高温回火工艺，正火温度高，以促使碳化物充分而均匀地溶解在奥氏体中，回火温度应高于使用温度100-150度，以提高在使用温度下的组织稳定性。（3）晶粒尺寸晶粒尺寸 细化晶粒在常温下可以同时提高材料强度、硬度和韧性。但在高温下，其影响不确定。当使用温度低于等强温度时，细化晶粒可以提高钢的强度；当使用温度高于等强温度时，粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度。2.外部因素外部因素（1）应力应力 材料的蠕变性能和蠕变速率主要取决于应力水平，高应力水平下蠕变速率高，低应
13、力水平下蠕变速率低。（2）温度温度 材料蠕变是热激活过程，蠕变激活能和扩散激活能的相对关系，影响着蠕变机制。二、其他高温力学性能1.高温短时拉伸性能高温短时拉伸性能试样按常温试验要求制备，装入电炉中，两端用特制的连杆引出炉外，夹在试验机夹头上。为了准确测量试样温度，最好将热电偶的热接点用石棉绳绑在试样标距部分。加热到规定温度后，保温时间不少于15min，然后进行拉伸试验。2.高温下材料的粘性流动性能高温下材料的粘性流动性能高分子材料随温度的变化可处于玻璃态、高弹态、粘流态3种状态。3.高温硬度高温硬度4.高温疲劳性能高温疲劳性能温度上升，疲劳强度下降与时间有关疲劳强度、持久强度与温度的关系另一种形式另一种形式(应力集中模型）应力集中模型）晶界滑动和晶内滑移在晶界形成交截，使晶界晶界滑动和晶内滑移在晶界形成交截，使晶界曲折。曲折。曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍晶界滑动，引起应力集中，导致曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍晶界滑动，引起应力集中，导致空洞空洞形成形成 。晶界曲折和夹杂物处空洞形成示意图晶界曲折和夹杂物处空洞形成示意图
