金屬高溫力學(xué)性能

金屬高溫力學(xué)性能第一節(jié)金屬的蠕變比溫度蠕變曲線蠕變機理蠕變斷裂機理第2頁,共30頁，2024年2月25日，星期天高壓蒸汽鍋爐、汽輪機、燃?xì)廨啓C、柴油機、化工煉油設(shè)備以及航空發(fā)動機中的構(gòu)件都是長期在高溫條件下工作的。材料的高溫力學(xué)性能不同于室溫。1）何謂高溫？金屬材料：T>0.3-0.4Tm；(Tm為材料的熔點，以絕對溫度K計算)陶瓷材料：T>0.4-0.5Tm；高分子材料T>Tg

（Tg為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）約比溫度第3頁,共30頁，2024年2月25日，星期天溫度對材料力學(xué)性能的影響材料在高溫下將發(fā)生蠕變現(xiàn)象（材料在恒定應(yīng)力的持續(xù)作用下不斷地發(fā)生變形）。材料在高溫下的強度與載荷作用的時間有關(guān)。載荷作用時間越長，引起變形的抗力越小。材料在高溫下不僅強度降低，而且塑性也降低。應(yīng)變速率越低，作用時間越長，塑性降低越顯著，甚至出現(xiàn)脆性斷裂。與蠕變現(xiàn)象相伴隨的還有高溫應(yīng)力松弛（恒定應(yīng)變下，材料內(nèi)部的應(yīng)力隨時間降低的現(xiàn)象）。第4頁,共30頁，2024年2月25日，星期天溫度和時間對斷裂形式的影響

溫度升高時，晶粒強度和晶界強度都要降低，但由于晶界上原子排列不規(guī)則，擴散容易通過晶界進(jìn)行，因此，晶界強度下降較快。

晶粒與晶界兩者強度相等的溫度稱為“等強溫度”TE。當(dāng)材料在TE以上工作時，材料的斷裂方式由常見的穿晶斷裂過渡到晶間斷裂。

材料的TE不是固定不變的，變形速率對它有較大影響。因晶界強度對形變速率敏感性要比晶粒大得多，因此TE隨變形速度的增加而升高。第5頁,共30頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共30頁，2024年2月25日，星期天材料的蠕變

材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變（Creep）。

由于這種變形而最后導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。

材料的蠕變可在任何溫度范圍內(nèi)發(fā)生，不過高溫時，變形速度高，蠕變現(xiàn)象更明顯。陶瓷材料在室溫一般不考慮蠕變；高分子材料在室溫下就能發(fā)生蠕變。第7頁,共30頁，2024年2月25日，星期天典型蠕變曲線第8頁,共30頁，2024年2月25日，星期天蠕變曲線描述蠕變變形規(guī)律的參量主要有：應(yīng)力、溫度、時間、蠕變變形量和變形速率等，其關(guān)系為：式中為蠕變速率，

為應(yīng)力，T為絕對溫度，

為蠕變變形量，m1和m2為與晶體結(jié)構(gòu)特性（如彈性模量等）和組織因素（如晶粒度等）有關(guān)的參量。1.金屬與陶瓷材料的蠕變曲線（1）ab段為蠕變第I階段，稱為減速蠕變階段，其蠕變變形速度與時間的關(guān)系可用下式表示：式中A、n皆為常數(shù)，且0<n≤1。第9頁,共30頁，2024年2月25日，星期天（2）bc段為蠕變第II階段，此階段蠕變速度基本不變，為恒速（穩(wěn)定）蠕變階段。此時的蠕變速度稱最小蠕變速度，即通常所謂的蠕變速度，其蠕變量為：（3）cd段為蠕變第III階段，為加速蠕變階段。此時材料因產(chǎn)生頸縮或裂紋而很快于d點斷裂。蠕變斷裂時間及總變形量為tr及

r。

第II階段的蠕變速度及

r(持久斷裂時間)、

r(持久斷裂塑性)是材料高溫力學(xué)性能的重要指標(biāo)。蠕變曲線與應(yīng)力、溫度有關(guān)；應(yīng)力小、溫度低時，蠕變速率低、第II階段長；應(yīng)力增加、溫度升高后，第II階段變短、甚至消失。第10頁,共30頁，2024年2月25日，星期天金屬和陶瓷材料的蠕變變形機制1.

位錯滑移蠕變塑性變形→位錯滑移→塞積、強化、更大切應(yīng)力下才能重新運動→變形速度減小；在高溫下，靠熱激活和空位擴散來進(jìn)行→刃位錯發(fā)生攀移→位錯在新的滑移面上運動→位錯源再次開動、使蠕變得以不斷發(fā)展（動態(tài)回復(fù)過程）→蠕變速度增大。第I階段，材料因變形而強化，阻力增大，速率減小。第II階段，材料強化與動態(tài)回復(fù)共存，達(dá)到平衡，蠕變速率維持不變。第11頁,共30頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共30頁，2024年2月25日，星期天2.擴散蠕變發(fā)生在T/Tm>0.5的情況下，是大量原子和空位的定向移動的結(jié)果。無外力作用下，原子和空位的移動無方向性，材料無塑性變形。有外力作用時，拉應(yīng)力下的晶界產(chǎn)生空位，而壓應(yīng)力作用下的晶界空位濃度小，因此空位由拉應(yīng)力晶界向壓應(yīng)力晶界遷移，致使晶體產(chǎn)生伸長的蠕變。擴散途徑：（1）空位沿晶內(nèi)流動，Nabarro-herring機制；（2）沿晶界流動，Coble機制。擴散蠕變機理第13頁,共30頁，2024年2月25日，星期天3.晶界滑動蠕變高溫下（T/Tm>0.5），晶界上的原子易擴散，受力后發(fā)生滑動，促進(jìn)蠕變；多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界是低熔點氧化物聚集之處，易于形成玻璃相。在溫度較高時，晶界粘度迅速下降。外力導(dǎo)致晶界粘滯性流動，發(fā)生蠕變。晶界形變在高溫時很顯著，甚至能占總?cè)渥冏冃瘟康囊话?，晶界的滑動是通過晶界的滑移和遷移來進(jìn)行的。第14頁,共30頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)力和溫度對蠕變曲線的影響等溫曲線（

4>3>2>1）等應(yīng)力曲線（T4>T3>T2>T1）應(yīng)力松弛在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料的應(yīng)力隨時間增加而減小的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛是應(yīng)力不斷降低條件下的蠕變過程。第15頁,共30頁，2024年2月25日，星期天楔形空洞的形成蠕變斷裂機理1.楔形裂紋第16頁,共30頁，2024年2月25日，星期天空位聚積形成空洞示意圖空洞形成示意圖2.由空洞形成晶界裂紋（較低應(yīng)力和較高溫度）第17頁,共30頁，2024年2月25日，星期天第18頁,共30頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)高溫力學(xué)性能指標(biāo)蠕變極限持久強度極限剩余應(yīng)力與應(yīng)力松弛影響因素第19頁,共30頁，2024年2月25日，星期天蠕變極限為保證在高溫長期載荷作用下的機件不致產(chǎn)生過量變形，要金屬材料具有一定的蠕變極限。蠕變極限是高溫長期載荷作用下材料對塑性變形抗力的指標(biāo)。蠕變極限一般有兩種表示方法：在給定溫度T下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速度的應(yīng)力值，以符號（MPa）表示（其中為第II階段蠕變速度，%/h）。例如：表示在600℃的條件下，蠕變速度為110-5%/h的蠕變極限為600MPa。在給定溫度T和在規(guī)定的試驗時間（

，小時）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變變形量（

，%）的應(yīng)力值，以符號表示。例如：表示在600℃的條件下，10萬小時后伸長率為1%的蠕變極限為100MPa。第20頁,共30頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共30頁，2024年2月25日，星期天持久強度材料在高溫下的變形抗力與斷裂抗力也是兩種不同的性能指標(biāo)。對于高溫材料除測定蠕變極限外，還必須測定其在高溫長時載荷作用下抵抗斷裂的能力，即持久強度。材料的持久強度，是在給定溫度T下，恰好使材料經(jīng)過規(guī)定的時間（t）發(fā)生斷裂的應(yīng)力值，以（MPa）表示。如：某材料在700℃承受30MPa的應(yīng)力作用，經(jīng)1000h后斷裂，則稱這種材料在700℃、1000h的持久強度為30MPa，寫成=30MPa。第22頁,共30頁，2024年2月25日，星期天持久強度的測定持久強度一般通過作持久試驗測定，只要測定試樣在給定溫度和一定應(yīng)力作用下的斷裂時間。（1）對于設(shè)計壽命為數(shù)百至數(shù)千小時的機件，可以直接用同樣時間的試驗來確定。（2）對于設(shè)計壽命為數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的機件，一般做出一些應(yīng)力較大、斷裂時間較短的試驗數(shù)據(jù)，畫在lgt-lg

坐標(biāo)圖上，聯(lián)成直線，用外推法（時間不超過一個數(shù)量級）求出數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的持久強度。由持久強度試驗，測量試樣在斷裂后的伸長率及斷面收縮率，還能反映出材料在高溫下的持久塑性。第23頁,共30頁，2024年2月25日，星期天剩余應(yīng)力金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，可以通過應(yīng)力松弛試驗測定的應(yīng)力松弛曲線來評定。剩余應(yīng)力

r是評定金屬材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。應(yīng)力松弛曲線松弛應(yīng)力剩余應(yīng)力第24頁,共30頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)力松弛零件或材料在總應(yīng)變保持不變時，其中的應(yīng)力隨著時間延長而自行降低的現(xiàn)象，叫做應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛可分為三個階段：第I階段：在開始階段應(yīng)力下降很快；第II階段：應(yīng)力下降逐漸減緩的階段；松弛極限：在一定的初應(yīng)力和溫度下，不再繼續(xù)發(fā)生松弛的剩余應(yīng)力；其原因是由于隨時間增長，一部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，即彈性?yīng)變不斷減小，所以零件中的應(yīng)力相應(yīng)地降低。應(yīng)力松弛看作是應(yīng)力不斷降低時的“多級”蠕變。第25頁,共30頁，2024年2月25日，星期天松弛曲線第26頁,共30頁，2024年2月25日，星期天金屬材料的應(yīng)力松弛高溫條件下金屬材料會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，如高溫條件工作的緊固螺栓和彈簧都會發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。零件總應(yīng)變可寫作彈性應(yīng)變

e和塑性應(yīng)變

p之和，即：

=e+p=常數(shù)

應(yīng)力松弛曲線：是在給定溫度和總應(yīng)變條件下，應(yīng)力隨著時間的變化曲線。

松弛穩(wěn)定性：金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能。常用金屬材料在一定溫度T和一定初應(yīng)力

0作用下，經(jīng)規(guī)定時間t后的“殘余應(yīng)力”

的大小作為松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。第27頁,共30頁，2024年2月25日，星期天蠕變極限和持久強度的影響因素由蠕變斷裂機理可知：1）要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速度；2）要提高斷裂抗力，即提高持久強度，必須抑制晶界的滑動，也就是說要控制晶內(nèi)和晶界的擴散過程。（一）合金化學(xué)成分的影響耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點高、自擴散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。熔點愈高的金屬(Cr、W、Mo、Nb)，自擴散愈慢；層錯能降低，易形成擴展位錯，位錯難以交滑移、攀移；彌散相能強烈阻礙位錯的滑移與攀移；第28頁,共30頁，2024年2月25日，星期天能增加晶界擴散激活能的添加元素(如硼及稀土)，則既能阻礙晶界滑動，又增大晶界裂紋的表面能。面心立方結(jié)構(gòu)的材料比體心立方結(jié)構(gòu)的高溫強度大。（二）冶煉工藝的影響降低夾雜物和冶金缺陷的含量；通過定向凝固工藝，減少橫向晶界，提高持久強度，因為在橫向晶界上容易產(chǎn)生裂紋。（三）熱處理工藝的影響珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝。回火溫度應(yīng)高于使用溫度100~150℃以上，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。第29頁,共30頁，2024年2月25日，