力學(xué)性能第二單元 (2)

1、 第八單元 金屬高溫力學(xué)性能 有許多機械零件或構(gòu)件是在高溫下工作的，如高壓蒸汽鍋爐、汽輪機、燃?xì)廨啓C、柴油機、航空發(fā)動機以及化工廠的反應(yīng)容器等。這些零構(gòu)件在高溫下工作有時間短則幾秒，長則十萬小時以上，這些金屬零構(gòu)件在高溫下表現(xiàn)出來的力學(xué)性能與室溫時的性能有很大的差別。因此，金屬材料在高溫下的力學(xué)性能，不能只簡單地用常溫下短時拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變曲線來評定，還必須考慮溫度和時間兩個因素。 本單元將闡述金屬材料在高溫長時載荷作用下的蠕變現(xiàn)象，討論蠕變變形和斷裂的機理，介紹高溫力學(xué)力學(xué)性能指標(biāo)及影響因素，為正確選用高溫金屬材料和合理制定其熱處理工藝提供依據(jù)。本單元導(dǎo)讀模塊一 金屬的蠕變能力知識點能力知識

2、點1金屬材料在高溫下力學(xué)性能的特點金屬材料在高溫下力學(xué)性能的特點金屬材料在高溫下力學(xué)性能的特點金屬材料在高溫下力學(xué)性能的特點n首先，溫度對金屬材料的力學(xué)性能影響很大。一般隨溫度升高，強度降低而塑性增加。例如，20鋼除了在200附近由于出現(xiàn)“藍(lán)脆現(xiàn)象”使抗拉強度Rm比室溫下有所增高外，均隨溫度的上升而下降。n其次，金屬材料在常溫下的靜載性能與載荷持續(xù)時間關(guān)系不大，但在高溫下載荷持續(xù)時間對力學(xué)性能影響則很大。例如，20鋼在450的瞬間強度為330MPa,在450持續(xù)300h的持久強度為230MPa，而在450持續(xù)1000h的持久強度為120MPa。n同時，在高溫長時間載荷作用下，金屬材料的塑性顯著

3、降低，缺口敏感性增加，因而高溫斷裂往住呈脆性破壞現(xiàn)象。n設(shè)計、選材不當(dāng)使用用疏忽，將導(dǎo)致工件斷裂或由于過量塑性失效，如汽輪機葉片斷裂、高溫高壓管道管徑變大、高溫高壓容器緊固螺栓因應(yīng)力松弛而造成泄露等。能力知識點能力知識點2 金屬蠕變現(xiàn)象金屬蠕變現(xiàn)象一、蠕變現(xiàn)象n金屬材料在一定的溫度和應(yīng)力作用下，隨時間發(fā)生緩慢而連續(xù)的塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變（Creep），產(chǎn)生蠕變所需的應(yīng)力，甚至可以小于材料的彈性極限。n金屬材料在高溫下的力學(xué)性能特點都是和蠕變緊密聯(lián)系的。 古代人們就發(fā)現(xiàn)，鉛放在垂直的位置，有向下緩慢流動的現(xiàn)象；懸掛的鋁管子有自身伸長的現(xiàn)象。這些蠕變現(xiàn)象由于當(dāng)時條件限制沒有被人們所重視，190

4、5年菲利普斯發(fā)表了橡膠、玻璃及金屬絲在恒定的拉應(yīng)力作用下有緩慢延伸的實驗結(jié)果，并把伸長值與應(yīng)力作用時間的關(guān)系數(shù)學(xué)式表達(dá)了出來。1910年后，安德雷德等人發(fā)表了金屬和合金的蠕變、變形的研究報告，于是，更多的學(xué)者發(fā)表了他們關(guān)于蠕變的研究成果。一、蠕變現(xiàn)象n蠕變現(xiàn)象的產(chǎn)生由三個方面的因素構(gòu)成：溫度、應(yīng)力和時間。溫度愈高、應(yīng)力越大、作用時間越長，金屬蠕變現(xiàn)象愈明顯。n對于不同的金屬，出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象的溫度不同，一般在0.3Tm（Tm為以絕對溫度表示的熔點）以上時就會出現(xiàn)明顯的蠕變。n碳鋼在300400時，在應(yīng)力的作用下即能明顯地出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，當(dāng)溫度在高于400時，即使應(yīng)力不大，也會出現(xiàn)較大速率的蠕變；合金

5、鋼在超過400450時，在一定的應(yīng)力作用下，就會發(fā)生蠕變；而對于鉛、錫及它們的合金，在室溫條件下也能表現(xiàn)出蠕變現(xiàn)象。一、蠕變現(xiàn)象n由于金屬蠕變的累積，使金屬部件發(fā)生過量的塑性變形而不能使用，或者蠕變進(jìn)入到了加速發(fā)展階段，發(fā)生蠕變破裂，均會使部件失效損壞，甚至發(fā)生嚴(yán)重事故。所以，對蠕變的研究對長期在高溫條件工作的機械零件和構(gòu)件具有特別重要的意義。n例如，鍋爐、渦輪發(fā)動機、內(nèi)燃機、火箭及汽輪機等，其熱機械構(gòu)件的選材和設(shè)計，都必須考慮材料的蠕變性能，否則將發(fā)生破壞性事故。因此，蠕變性能是高溫機械設(shè)計的主要依據(jù)之一。二、蠕變曲線n金屬材料的蠕變現(xiàn)象可用蠕變曲線來描述，在適當(dāng)?shù)膽?yīng)力和溫度范圍，典型的蠕變

6、曲線如圖。n圖中Oa線段是試樣在溫度t下承受恒定拉應(yīng)力時所產(chǎn)生的起始伸長率，這是一加載就立即產(chǎn)生的應(yīng)變量，它包括彈性變形和塑性變形兩部分，這一應(yīng)變量當(dāng)然不應(yīng)算作蠕變量。 起始伸長率二、蠕變曲線n第一階段ab：是減速蠕變階段，又稱過渡蠕變階段，這一階段從曲線的斜率可以看出，開始的蠕變速率很大，隨著時間增加，蠕變速率逐漸減小，到b點達(dá)到最小值。這一階段是很短的，不超過幾百小時。n第二階段bc：是恒速蠕變階段，又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段，這一階段的蠕變速率保持不變。一般所指的金屬蠕變速率，都是指的這一階段而言，否則將毫無意義且無實際應(yīng)用價值，一般在高溫下工作的機件所要求的壽命都設(shè)定在蠕變第二階段。n第三階段c

7、d：是加速蠕變階段。隨著時間增加，蠕變速率越來越快，到d點便蠕變斷裂。n影響材料蠕變過程的兩個最主要參數(shù)是溫度和應(yīng)力。n當(dāng)溫度降低或者應(yīng)力減小，都可使蠕變過程減慢，這時可以看到蠕變第二階段很長，第三階段甚至可以不出現(xiàn)。反之，當(dāng)溫度升高或者應(yīng)力增加，第二階段較短，甚至中間直線部分消失，很快地由蠕變第一階段過渡到第三階段。 應(yīng)力和溫度對蠕變曲線的影響 a) 溫度恒定（1234) b）應(yīng)力恒定(t1t2t3t4)能力知識點能力知識點3 蠕變?nèi)渥冏冃螜C制變形機制n蠕變變形主要通過位錯滑移、原子擴散等機理進(jìn)行。n (1)位錯蠕變機制：主要發(fā)生在溫度較低 (0.5 Tm)應(yīng)力較高的情況下，多數(shù)工業(yè)用的抗蠕

8、變合金在服役條件下其變形機制均屬這種。 外來熱激活能，有利于加強位錯的運動（滑移、攀移、交滑移等），克服短程障礙。 材料發(fā)生塑性變形。 一、金屬蠕變變形機制(2)擴散蠕變機制: 發(fā)生在更高的溫度0.60.7 Tm和應(yīng)力較小的情況下。少數(shù)的工程合金象燃?xì)廨啓C渦輪盤使用的鎳基超合金和陶瓷材料的變形機制屬于此類 。 高溫和應(yīng)力的作用下，空位、原子的定向擴散（不均勻應(yīng)力場）。 材料產(chǎn)生蠕變?？瘴灰苿臃较?原子移動方向二、金屬蠕變斷口n蠕變斷裂斷口的宏觀特征為：一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，使斷裂機件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；二是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜聽覆蓋。n蠕變斷裂的

9、微觀斷口特征，主要為冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。n由于蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生，因此，晶界的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小及晶粒度的均勻性對蠕變斷裂均會產(chǎn)生很大影響。在高溫下，粗大晶粒有利。模塊二 金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)能力知識點能力知識點1 蠕變?nèi)渥儤O限極限一、蠕變極限n在規(guī)定溫度下，使試樣在規(guī)定時間產(chǎn)生的蠕變伸長率(總伸長率或塑性伸長率)或穩(wěn)態(tài)蠕變速率不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力稱為蠕變極限（Creep limit）。n與常溫下的屈服強度相似，蠕變極限是金屬材料在高溫長時載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)。n這是為保證在高溫長時間載荷作用下機件不致產(chǎn)生過量塑性變形的抗力指標(biāo)。如蒸汽輪機葉片高溫時

10、如發(fā)生過量蠕變，汽輪機轉(zhuǎn)子將不能在定子中正常運行。n在規(guī)定溫度（t）下，使試樣在規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率（v）不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力。n在規(guī)定溫度（t）下和規(guī)定的時間（ ）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率（ ）不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力。t/表示方法tvMPa606001015MPa10050010/15表示溫度為600的條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率為l10-5h的蠕變極限為60MPa。表示材料在500，經(jīng)10萬小時產(chǎn)生的變形量為1%時的蠕變極限為100MPa。n這兩種規(guī)定方法差別不大。n若蠕變速率大而服役時間短時，可取前一種表示方法；反之，蠕變速率小而服役時間長時，則宜用后一種表示方法。二、金屬蠕變試驗

11、n蠕變試驗是測定材料在給定溫度和應(yīng)力下抗蠕變變形能力的一種試驗方法，應(yīng)用最廣泛的是拉伸蠕變試驗。n在規(guī)定的溫度下,把一組試樣分別置于不同恒應(yīng)力下進(jìn)行試驗，測定試樣隨時間的軸向伸長,以所得的數(shù)據(jù)將試驗結(jié)果在單對數(shù)或雙對數(shù)坐標(biāo)圖上繪制出應(yīng)力穩(wěn)態(tài)蠕變速率或應(yīng)力蠕變總伸長率關(guān)系曲線。用內(nèi)插法或外推法求蠕變極限。n蠕變試驗的時間，根據(jù)零件在高溫下的使用壽命而定。蠕變試驗溫度一般為3001000，試驗時問不超過10000h。對在高溫下長期運行的鍋爐、汽輪機等材料，有時要求提供1020萬小時的性能試驗數(shù)據(jù)。1.試樣n蠕變試樣與一般拉伸試樣相似，不同的是在蠕變試樣工作部分的兩端各有一個經(jīng)特殊加工的部位用來裝引

12、伸計，有的為螺紋，有的為一凸臺。n 圓形蠕變試樣直徑510 mm，原始計算長度5d0或10d0(也可以采用12.5 d0) 。n板形蠕變試樣厚度一般為15mm，寬度615mm，原始計算長度50100mm。 標(biāo)準(zhǔn)蠕變試驗試樣 a) 圓試樣 b) 板試樣2. 試驗裝置n試樣7裝卡在夾頭8上，然后置于電爐6內(nèi)加熱，試樣溫度用捆在試樣上的熱電偶5測定，爐溫用鉑電阻2控制。通過杠桿3及祛碼4對試樣加載，使之承受一定大小的拉應(yīng)力。試樣的蠕變總伸長量用安裝在爐外的引伸計1測量。 1-引伸計 2-鉑電阻 3-杠桿 4-砝碼 5-熱電偶 6-電爐 7-試樣 8-夾頭3.試驗過程n試樣安裝完畢，在升溫過程中，應(yīng)在

13、試樣上施加一個拉緊力，目的是使試樣各連接部位保持穩(wěn)定，施加的初始力為試驗力的10且應(yīng)力應(yīng)大于10MPa。待爐溫升到規(guī)定溫度后再加主負(fù)荷,加荷時要平穩(wěn)無沖擊。加主負(fù)荷前，調(diào)整好試樣兩邊引伸計的初始讀數(shù),主負(fù)荷加上后應(yīng)立即記下變形值，以后每隔一定時間記錄一次。如試樣有些偏心，則讀數(shù)值取其平均值。n只要求得到第二階段蠕變速度時,應(yīng)根據(jù)曲線情況待第二階段延續(xù)5001000h,試驗總時間為3000h左右時,即可結(jié)束試驗。關(guān)爐之前卸去全部載荷，記下卸荷后千分表讀數(shù)，這個值表示試樣的殘余變形。n試驗進(jìn)行至規(guī)定時間后停止，將試驗結(jié)果在單對數(shù)或雙對數(shù)坐標(biāo)圖上繪制出應(yīng)力穩(wěn)態(tài)蠕變速率或應(yīng)力蠕變總伸長率關(guān)系曲線。4.

14、蠕變極限的確定n在進(jìn)行金屬蠕變試驗時，在同一溫度下要用四個以上的不同應(yīng)力進(jìn)行蠕變試驗，每個應(yīng)力水平做出三個數(shù)據(jù)，在單對數(shù)或雙對數(shù)坐標(biāo)上用作圖法或最小二乘法繪制出應(yīng)力一蠕變伸長率或應(yīng)力一穩(wěn)態(tài)蠕變速率關(guān)系曲線，用內(nèi)插法或外推法求出蠕變極限。能力知識點能力知識點2 持久持久強度極限強度極限n持久強度極限是高溫下載荷長期作用時材料對斷裂的抵抗能力，是指材料試樣在規(guī)定溫度下達(dá)到規(guī)定的試驗時間而不產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力。n表示方法： 在一定溫度下和規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)不引起斷裂的最大應(yīng)力值。一、持久強度MPa3007001013表示材料在700經(jīng)1000小時不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，即持久強度極限為300MPa。一、

15、持久強度n蠕變極限是以考慮變形為主，如蒸汽輪機和燃汽輪機葉片在長期運行中，只允許發(fā)生一定的變形，在設(shè)計時以材料的蠕變極限作為主要依據(jù)。n而對某些高溫零件，如鍋爐中的過熱蒸氣管和噴氣發(fā)動機，對蠕變變形要求并不嚴(yán)格，但必須保證在使用期間不發(fā)生破壞，因此，主要性能為持久強度極限，在設(shè)計時主要以持久強度極限作依據(jù)，而蠕變極限作為校核使用。n對那些嚴(yán)格限制其蠕變變形的高溫零件也必須要有持久強度極限的數(shù)據(jù)，用它來衡量材料使用中的安全可靠程度。二、金屬高溫持久強度試驗n金屬持久強度試驗方法與蠕變試驗方法都是在恒定溫度及恒定拉伸力作用下評定材料的高溫性能。n兩者的區(qū)別是，持久強度試驗一般施加的應(yīng)力大，而蠕變試

16、驗所施加的應(yīng)力較??；蠕變試驗過程中要測量試樣變形，而持久試驗則記錄斷裂時間。測量變形量測量時間或應(yīng)力1.試樣n持久試樣有圓形試樣、矩形試樣以及缺口試樣三種類型。n圓形試樣與拉伸試樣相似，直徑為5 mm和10 mm，原始計算長度分別為25 mm和50 mm，為了準(zhǔn)確地計算持久斷后伸長率，可適當(dāng)減小過渡圓弧半徑。n在可能的情況下，盡量選用大直徑試樣進(jìn)行試驗。 直徑10mm的圓形橫截面標(biāo)準(zhǔn)持久試樣 矩形截面標(biāo)準(zhǔn)持久試樣 圓形截面缺口持久試樣2.持久強度極限的評定n由金屬材料的檢驗規(guī)程規(guī)定。給出其材料的試驗溫度和應(yīng)力，在持久強度試驗中，當(dāng)持續(xù)時間超過規(guī)定的時間后，即認(rèn)為該材料持久強度試驗合格。n這種方

17、法常為工廠生產(chǎn)檢驗中所采用。用這種評定方法屬于較短壽命設(shè)計的持久強度性能指標(biāo)，對許多機械設(shè)計并不適用。時間指標(biāo)2.持久強度極限的評定n持久強度極限。對于設(shè)計壽命為數(shù)百至數(shù)千小時的機件，其材料的持久強度極限可以直接用同樣的時間進(jìn)行試驗確定。n但對于設(shè)計壽命為數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的機件，要進(jìn)行這么長時間的試驗是比較困難的。因此，和蠕變試驗相似，一般作出一些應(yīng)力較大、斷裂時間較短(數(shù)百至數(shù)干小時)的試驗數(shù)據(jù)，將其應(yīng)力-時間雙對數(shù)圖上回歸成直線，即持久強度曲線，用外推法求出數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的持久強度極限。應(yīng)力指標(biāo)12CrlMoV鋼在580及600時的持久強度曲線，由圖可見，試驗最長時間為一萬小時(實線

18、部分)，但用外推法(虛線部分)可得到十萬小時的持久強度極限值。如12CrlMoV鋼在580、100000h的持久強度極限為89MPa。能力知識點能力知識點3 松弛穩(wěn)定性及其松弛穩(wěn)定性及其指標(biāo)指標(biāo)一、應(yīng)力松馳n由于金屬在長時高溫載荷作用下會產(chǎn)生蠕變，因此，對于在高溫下工作并依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)力的機件，如高溫管道法蘭接頭的緊固螺栓、用壓緊配合固定于軸上的汽輪機葉輪等，就可能隨時間的延長，在總變形量不變的情況下，彈性變形不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，從而使工作?yīng)力逐漸降低，以致失效。n這種在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料中的應(yīng)力隨時間增加而減小的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。可以將應(yīng)力松弛現(xiàn)象看作是應(yīng)力不斷

19、降低條件下的蠕變過程，因此，蠕變與應(yīng)力松弛是既有區(qū)別又有聯(lián)系的。n金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性。n通過應(yīng)力松弛試驗（具體方法請參閱GB/T 10120-1996）測定的應(yīng)力松弛曲線來評定。n金屬的松弛曲線是在規(guī)定溫度下，對試樣施加載荷，保持初始變形量恒定，測定試樣上的應(yīng)力隨時間而降低的曲線。二、應(yīng)力松弛穩(wěn)定性圖中0小為初始應(yīng)力，隨著時間的延長，試樣中的應(yīng)力不斷減小。對于不同的金屬材料或同一材料經(jīng)不同熱處理，在相同試驗溫度和初始應(yīng)力條件下，經(jīng)規(guī)定時間后，剩余應(yīng)力越高者，其松弛穩(wěn)定性越好。 n剩余應(yīng)力re是評定金屬材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。n對于不同的金屬材料或同一材料經(jīng)不同熱處理，在

20、相同試驗溫度和初始應(yīng)力條件下，經(jīng)規(guī)定時間后，剩余應(yīng)力越高者，其松弛穩(wěn)定性越好。 熱處理對20Cr1Mo1V1鋼應(yīng)力松弛曲線的影響-1000正火，700回火 -1000淬火，700回火n圖為制造汽輪機、燃?xì)廨啓C緊固件用的20Cr1Mo1V1鋼，分別經(jīng)不同熱處理后的應(yīng)力松弛曲線。n由圖可見，在相同初始應(yīng)力(300MPa)和相同試驗時間條件下采用正火工藝的剩余應(yīng)力值高于油淬工藝的，說明前者有較好的應(yīng)力松弛穩(wěn)定性。模塊四 影響金屬高溫性能的因素n由蠕變變形和斷裂機理可知，要提高蠕變極限必須控制位錯滑移或攀移的速率；要提高持久強度極限必須控制晶界的滑動。n也就是說，要提高金屬材料的高溫力學(xué)性能，應(yīng)控制晶

21、內(nèi)和晶界的原子擴散過程。n這種擴散過程主要取決于合金的化學(xué)成分，并與冶煉工藝、熱處理工藝等因素密切相關(guān)。4.1 材料本身（材質(zhì)）n位錯越過障礙所需的激活能(即蠕變激活能)越高的金屬，越難產(chǎn)生蠕變變形。n耐熱鋼及合金的基體材料段選用熔點高、自擴散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。n層錯能越低的金屬越易產(chǎn)生擴展位錯，使位錯難以產(chǎn)生割階、交滑移及攀移，這些都有利于降低蠕變速率。大多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，其高溫強度比體心立方結(jié)構(gòu)的高，這是一個重要原因。擴展位錯（extended disloeation）n一個全位錯分 解為兩個或多個不全位錯，其間以層錯帶相聯(lián)，這個過 程稱為位錯的擴展，形成的缺陷體系稱為

22、擴展位錯。n兩個不全位錯之間的區(qū)域帶組成了層錯,錯排所引起的能量變化稱為層錯能 。 鎳基高溫合金n現(xiàn)在以鎳基高溫合金為例，來分析一下這種材料是如何通過各種手段來實現(xiàn)高溫強化的。n鎳基超合金自1941年在英國研制成功后，經(jīng)過幾十年的改進(jìn)，現(xiàn)已發(fā)展成100多種合金系，用鎳基超合金制作的燃?xì)廨啓C葉片的工作溫度由750提高到850，在870經(jīng)10000小時的持久強度（斷裂應(yīng)力）從35MPa提高到210MPa以上。n鎳基超合金是以鎳為基體加入少量的Al、Ti、Co，還有Cr、Mo等合金元素,這種合金是怎樣實現(xiàn)高溫強化的呢?鎳基高溫合金n加入的合金元素Al、Co、Cr等是降低鎳的層錯能元素，使得擴展位錯加寬,不易交滑移也不易攀移。n單純用單相固溶體的強化效果是不夠的。在高溫強化的合金中必須形成尺