金屬高溫力學(xué)性能教學(xué)課件

第八章金屬高溫力學(xué)性能在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動機(jī)等設(shè)備中,很多機(jī)件長期在高溫下服役。對于這類機(jī)件的材料,只考慮常溫短時靜載時的力學(xué)性能是不夠的。如化工設(shè)備中高溫高壓管道,雖然承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度,但在長期使用過程中會產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形,即蠕變現(xiàn)象,使管徑逐步增大,甚至?xí)?dǎo)致管道破裂對長期在高溫條件下工作的金屬機(jī)件,如果僅考慮常溫短時靜載下的力學(xué)性能顯然是不夠的。因?yàn)闇囟群妥饔脮r間對金屬材料的力學(xué)性能影響很大。1、溫度的影響:一般隨溫度升高,金屬材料的強(qiáng)度降低而塑性增加。2、載荷持續(xù)時間的影響:如果不考慮環(huán)境介質(zhì)的影響,則可認(rèn)為材料的常溫靜載力學(xué)性能與載荷持續(xù)時間關(guān)系不大。但在高溫下,載荷持續(xù)時間對力學(xué)性能有很大影響(1)<σ。,長期使用過程中,會產(chǎn)生蠕變,可能最終導(dǎo)致斷裂(2)隨載荷持續(xù)時間的延長,高溫下鋼的Rn降低(3)在高溫短時拉伸時,材料的塑性增加;但在長時載荷作用下,金屬材料的塑性卻顯著降低,缺口敏感性增加,往往呈現(xiàn)脆性斷裂。(4)溫度和時間的聯(lián)合作用還影響材料的斷裂路徑3、等強(qiáng)溫度隨試驗(yàn)溫度的升高,金屬的斷裂由常溫下常見的穿晶斷裂過渡到沿晶斷裂。原因:溫度升高時,晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度都降低,(如圖所示)但由于晶界上原子排列不規(guī)則,擴(kuò)散容易通過晶界進(jìn)行,因此晶界強(qiáng)度下降較快等強(qiáng)溫度一晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的溫度用T表示。等強(qiáng)溫度隨變形速率的增加而升高。這是由于晶界強(qiáng)度對變形速率的敏感性要比晶粒大得多。金屬材料在高溫下的力學(xué)性能,還必須加入溫度和時間兩個因素,研究溫度、應(yīng)力、應(yīng)變與時間的關(guān)系,才能建立評定金屬材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)。4、約比溫度(1)定義:試驗(yàn)溫度t與金屬熔點(diǎn)tn的比值(ttm)t,tm均為絕對溫度(2)衡量:當(dāng)t/tn>0.5時,為“高溫”;反之則為“低溫”(3)意義:對于不同的金屬材料,在同樣的約比溫度下,其蠕變行為相似,其力學(xué)性能變化規(guī)律也是相同的。§8-1金屬的蠕變現(xiàn)象、蠕變的定義金屬在長時間恒溫、恒載荷(即使應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)度)作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由蠕變變形導(dǎo)致的材料的斷裂,稱為稱為蠕變斷裂。蠕變在低溫下也會產(chǎn)生,但只有當(dāng)約比溫度大于0.3時才比較顯著。如碳鋼超過300℃、合金鋼超過400℃時就必須考慮蠕變的影響、金屬的蠕變過程金屬的蠕變過程可用蠕變曲線來描述,典型的蠕變曲線如圖所示。按蠕變速率的變化,曲線可以分為三個階段:第一階段:ab減速蠕變階段,又稱過渡蠕變階段。開始大,逐漸減速;第二階段:bc恒速蠕變階段,又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段。速率幾乎保持不變;第三階段:cd加速蠕變階段,逐漸增大,最后產(chǎn)生斷裂。同一材料的蠕變曲線隨著溫度高低及應(yīng)力的大小而有不同。如圖所示應(yīng)力較小、溫度較低時:蠕變的恒速蠕變階段持續(xù)時間長,甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段;應(yīng)力較大、溫度較高時:蠕變恒速蠕變階段持續(xù)時間短,甚至消失,試樣在短時間內(nèi)斷裂,主要為加速蠕變?！魬?yīng)力松弛由于金屬在長時高溫載荷下會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象,對于在高溫下工作、依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)力的機(jī)件,如高溫管道內(nèi)用的螺栓等,隨時間的延長,在總變形量不變的前提下,彈性變形變?yōu)樗苄宰冃?從而使工作應(yīng)力降低,導(dǎo)致失效。在溫度及初始應(yīng)力一定時,材料中的應(yīng)力隨著時間的增加而減小的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛?？梢钥闯蓱?yīng)力不斷降低條件下的蠕變過程。注意:應(yīng)力松弛與蠕變的區(qū)別§8-2蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理蠕變變形機(jī)理金屬的蠕變變形主要通過位錯滑移、原子擴(kuò)散等機(jī)理進(jìn)行,與溫度及應(yīng)力的變化有關(guān)(一)位錯滑移蠕變常溫下,如果滑移面上的位錯運(yùn)動受阻產(chǎn)生塞積,滑移就不能進(jìn)行,只有在更大的切應(yīng)力作用下位移重