金屬高溫力學(xué)性能

1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(dòng)機(jī)等設(shè)備中，很多機(jī)件長(zhǎng)期在高溫下服役。對(duì)于這類(lèi)機(jī)件的材料，只考慮(kǎolǜ)常溫短時(shí)靜載時(shí)的力學(xué)性能是不夠的。高溫(gāowēn)影響蠕變及其機(jī)理高溫力學(xué)性能指標(biāo)共二十一頁(yè)21、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(zàihè)持續(xù)時(shí)間的影響：在高溫下，載荷持續(xù)時(shí)間對(duì)力學(xué)性能有很大影響。例如：鋼的σb隨載荷持續(xù)時(shí)間↑而↓共二十一頁(yè)3溫度和時(shí)間對(duì)斷裂路徑的影響(yǐngxiǎng)

溫度T↑，載荷t↑，斷裂由穿晶斷裂過(guò)渡到沿晶斷裂。變形速率對(duì)金屬斷裂路徑的影響變形速率↑，TE↑。等強(qiáng)溫度(TE)概念——晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的溫度，稱(chēng)為(chēnɡwéi)等強(qiáng)溫度。

T<TE時(shí)，穿晶斷裂。

T>TE時(shí)，沿晶斷裂。共二十一頁(yè)4

當(dāng)約比溫度>0.5時(shí)——高溫狀態(tài)(zhuàngtài)。

當(dāng)約比溫度<0.5時(shí)——低溫狀態(tài)。

意義：對(duì)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。共二十一頁(yè)5§8－1金屬的蠕變(rúbiàn)現(xiàn)象金屬在長(zhǎng)時(shí)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。

蠕變?cè)诘蜏叵乱矔?huì)產(chǎn)生，但只有當(dāng)約比溫度大于0.3時(shí)才比較顯著。如碳鋼超過(guò)300℃、合金鋼超過(guò)400℃時(shí)就必須考慮蠕變的影響。共二十一頁(yè)6金屬的蠕變過(guò)程(guòchéng)第一階段：ab減速蠕變階段，又稱(chēng)過(guò)渡蠕變階段。開(kāi)始大，逐漸減速；第二階段：bc恒速蠕變階段，又稱(chēng)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。

應(yīng)力較小、溫度較低時(shí)：蠕變的恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段；

應(yīng)力較大、溫度較高時(shí)：蠕變恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間短，甚至消失，試樣在短時(shí)間內(nèi)斷裂(duànliè)，主要為加速蠕變。共二十一頁(yè)7

蠕變應(yīng)力(yìnglì)松弛

在總變形量不變的前提下，彈性變形變?yōu)樗苄宰冃危瑥亩构ぷ鲬?yīng)力降低，導(dǎo)致失效(shīxiào)。

在溫度及初始應(yīng)力一定時(shí)，材料中的應(yīng)力隨著時(shí)間的增加而減小的現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力松弛。金屬應(yīng)力松弛曲線

共二十一頁(yè)8§8-2蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理一、蠕變變形機(jī)理金屬的蠕變變形主要通過(guò)位錯(cuò)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(cuò)滑移蠕變

常溫下：

位錯(cuò)的增殖與運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生塑性變形→位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻→變形停止。

高溫(gāowēn)下：

外界提供熱激活能，促進(jìn)原子擴(kuò)散→位錯(cuò)持續(xù)運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生了蠕變變形。共二十一頁(yè)（二）擴(kuò)散蠕變

在更高溫度（約比溫度t/tm>0.5，甚至接近于Tm時(shí)）→原子擴(kuò)散進(jìn)一步加劇→較多數(shù)量的原子(空位(kōnɡwèi))直接發(fā)生遷移性擴(kuò)散→擴(kuò)散蠕變。共二十一頁(yè)

機(jī)制一：在三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋(lièwén)高應(yīng)力，較低溫度下，晶界滑動(dòng)在三晶粒交匯處受阻→應(yīng)力集中→形成空洞→相互連接形成楔形裂紋→長(zhǎng)大→引起斷裂楔形裂紋(lièwén)形成示意圖

二、蠕變斷裂機(jī)理共二十一頁(yè)

機(jī)制二：在晶界上由空洞形成(xíngchéng)晶界裂紋

較低應(yīng)力，較高溫度下當(dāng)晶界受垂直拉應(yīng)力作用時(shí)，周?chē)Ы缁蚓Я?nèi)部的空穴聚集于此晶界，形成空洞(kōngdòng)核心→空洞(kōngdòng)超過(guò)臨界尺寸（r）而穩(wěn)定存在→長(zhǎng)大→引起斷裂。

空洞位置：晶界上的凸起部位，細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)附近，（晶界夾雜物）共二十一頁(yè)12§8-3高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素一、蠕變極限為了保證高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的機(jī)件不會(huì)產(chǎn)生(chǎnshēng)過(guò)量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。是材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)。共二十一頁(yè)1.在給定的溫度下，使試樣在蠕變(rúbiàn)第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變(rúbiàn)速率的最大應(yīng)力。600℃1×10－5％/h500℃100000h總伸長(zhǎng)為1%2.在給定溫度t和規(guī)定時(shí)間τ(小時(shí))內(nèi)，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變(rúbiàn)變形量δ的最大應(yīng)力。

蠕變極限的表示方法共二十一頁(yè)持久強(qiáng)度極限

高溫長(zhǎng)期(chángqī)載荷下對(duì)斷裂的抗力（不考慮變形量）蠕變極限(jíxiàn)高溫長(zhǎng)期載荷下對(duì)塑性變形的抗力（考慮了變形量）

二.持久強(qiáng)度極限在給定溫度t下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間τ而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，以MPa表示。共二十一頁(yè)15

三、剩余應(yīng)力

1、松弛穩(wěn)定性：金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能(xìngnéng)?？赏ㄟ^(guò)應(yīng)力松弛試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力松弛曲線來(lái)評(píng)定。

2、金屬的松弛曲線：在規(guī)定溫度下，對(duì)試樣施加載荷，保持初始變形恒定，測(cè)定試樣上的應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低的曲線。

3、剩余應(yīng)力：應(yīng)力松弛試驗(yàn)中任一時(shí)間試樣上所保持的應(yīng)力，用σr（以前用σsh）。是評(píng)定金屬材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。

4、松弛應(yīng)力：試樣上所減少的應(yīng)力，即初始應(yīng)力與剩余應(yīng)力之差，用σre表示（以前用σso）。共二十一頁(yè)金屬(jīnshǔ)應(yīng)力松弛曲線

任一時(shí)間試樣上所保持的應(yīng)力——剩余應(yīng)力σsh松弛試驗(yàn)中，試樣上所減少的應(yīng)力——松弛應(yīng)力σso初始應(yīng)力σ0對(duì)于不同金屬材料或同種材料經(jīng)過(guò)(jīngguò)不同的熱處理，在相同試驗(yàn)溫度和初始應(yīng)力下，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后，剩余應(yīng)力越高，松弛穩(wěn)定性越好。共二十一頁(yè)四、影響金屬高溫力學(xué)性能的主要(zhǔyào)因素

1、基體金屬與晶體結(jié)構(gòu)的影響

通常熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散激活能大，層錯(cuò)能低的金屬，蠕變極限↑?！邷夭牧显O(shè)計(jì)依據(jù)自擴(kuò)散系數(shù)：bcc>fcc>hcp>金鋼石型

——自擴(kuò)散系數(shù)大，自擴(kuò)散激活能小故：——fcc的蠕變極限>bcc

——金鋼石型的陶瓷材料具有(jùyǒu)優(yōu)良的抗高溫蠕變性能共二十一頁(yè)

加入Cr，Mo，W，Nb，使固溶強(qiáng)化(qiánghuà)；↓層錯(cuò)能，↑擴(kuò)散激活能；化學(xué)相互作用、形成短程有序等。2、溶質(zhì)元素的影響通常溶質(zhì)元素或微量雜質(zhì)原子，尤其是高熔點(diǎn)、與基體金屬(jīnshǔ)原子尺寸相差較大的溶質(zhì)原子，可使蠕變極限提高?！猄、P、Pb、Sn、Bi、Sb為有害雜質(zhì)元素——馬氏體的固溶強(qiáng)化并不適用共二十一頁(yè)3系出物與雜質(zhì)物的影響加入合金元素，生成彌散強(qiáng)化(qiánghuà)相，阻礙滑移和攀移，↑高溫強(qiáng)度。

——須為熱力學(xué)穩(wěn)定的第二相如鋼中采用特殊碳化物、氮化物等

——非金屬夾雜物有害4、晶粒度的影響

T<TE，細(xì)晶粒鋼強(qiáng)度高。

T>TE，粗晶粒鋼強(qiáng)度高。采用(cǎiyòng)適當(dāng)?shù)木Я６龋?－3級(jí)

——因?yàn)榫ЯＬ?，δ↓，Ak↓

共二十一頁(yè)Thanks20共二十一頁(yè)內(nèi)容(nèiróng)總結(jié)1。變形速率↑，TE↑。如碳鋼超過(guò)300℃、合金鋼超過(guò)400℃時(shí)就必須考慮蠕變的