工學金屬的力學性能第八章金屬高溫力學性能課件

第八章金屬高溫力學性能歷史背景：(1)古代，人們發(fā)現(xiàn)懸掛的鉛管自身伸長現(xiàn)象。(2)1905年菲利普斯發(fā)表關于金屬絲、橡膠、玻璃在恒定拉應力作用下緩慢延伸的實驗結果。1第八章金屬高溫力學性能歷史背景：1

(3)1922年狄根遜提出，在相當長時間內承受應力時，尤其是在高溫下，任何材料在低于σb(室溫或試驗溫度)時也會發(fā)生破壞——蠕變的研究。現(xiàn)當代：

火箭發(fā)動機、汽輪機、石油化工機械等發(fā)展—高溫(T)、長期(t)。2(3)1922年狄根遜提出，在相當長一、溫度對金屬材料機械性能影響1、通常金屬的變形抗力隨溫度↑而↓：隨T↑,σ、HB↓。2、原因—晶格阻力下降，原子活動能力提高。(1)位錯運動障礙↓；(2)位錯運動方式↑：交滑移、攀移；(3)存在回復、再結晶等軟化機制；(4)存在晶界運動等形變機制。3一、溫度對金屬材料機械性能影響3二、時間對金屬材料力學性能的影響高溫下力學性能與載荷持續(xù)時間關系很大。例如：鋼的σb隨載荷持續(xù)時間↑而↓。故：(1)常溫下研究時：應力－應變曲線。(2)高溫下研究時：應力－應變+溫度+時間。4二、時間對金屬材料力學性能的影響4三、溫度和時間對斷裂路徑的影響溫度T↑，載荷t↑，斷裂由穿晶斷裂過渡到沿晶斷裂。原因：隨溫度T↑，晶界強度下降速度快于晶內強度的下降。5三、溫度和時間對斷裂路徑的影響5四、等強溫度(TE)概念晶粒與晶界兩者強度相等的溫度，稱為等強溫度。T<TE時，穿晶斷裂。T>TE時，沿晶斷裂。6四、等強溫度(TE)概念6圖8-1溫度和變形速率對金屬斷裂路徑的影響(a)等強溫度TE(b)變形速率對TE的影響

晶界強度對變形速度的敏感性比晶內強度大，所以，變形速率↑，TE↑。7圖8-1溫度和變形速率對金屬斷裂路徑的影響晶界強度對

(1)當約比溫度>0.5時——高溫狀態(tài)。(2)當約比溫度<0.5時——低溫狀態(tài)。(3)不同的金屬材料，在同樣的約比溫度下，其蠕變行為相似，力學性能的變化規(guī)律也是相同的。五、高溫和低溫的判定8(1)當約比溫度>0.5時——高溫狀態(tài)。五、高溫和一、蠕變現(xiàn)象1、蠕變：金屬在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產生塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變。約比溫度T/Tm>0.3時須考慮。2、蠕變斷裂：由蠕變而最后導致材料的斷裂?！?.1金屬的蠕變現(xiàn)象9一、蠕變現(xiàn)象§8.1金屬的蠕變現(xiàn)象93、蠕變曲線

圖8-2典型蠕變曲線103、蠕變曲線圖8-2典型蠕變曲線10

(1)第一階段：減速蠕變階段也稱過渡蠕變階段、初級蠕變或第一階段蠕變，Primarycreep。加工硬化占主體。(2)第二階段：恒速蠕變階段也稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段、第二階段蠕變或二級蠕變，secondarycreep。加工硬化與回復等軟化機制作用相等。11(1)第一階段：減速蠕變階段11

(3)第三階段：加速蠕變階段隨τ↑，蠕變速率↑，直至蠕變斷裂。也是一個裂紋形成和擴展的過程。注：同一材料的蠕變曲線隨應力、溫度而變。圖8-3(a)恒溫改變應力；(b)恒應力下改變溫度12(3)第三階段：加速蠕變階段圖8-3

應力松弛：在規(guī)定溫度和初始應力條件下，金屬材料中的應力隨時間增加而減小的現(xiàn)象。13應力松弛：在規(guī)定溫度和初始應力條件下，金屬材1、蠕變的變形機制(1)常溫下：位錯的增殖與運動→產生塑性變形→位錯運動受阻→變形停止。(2)但在高溫下：外界提供熱激活能，促進原子擴散→位錯持續(xù)運動→產生了蠕變變形?！?.2蠕變變形與蠕變斷裂機制141、蠕變的變形機制§8.2蠕變變形與蠕變斷裂機制14

(1)位錯滑移蠕變變形時，溫度升高，原子擴散加劇，促進位錯攀移引起動態(tài)回復，形成亞晶，導致位錯運動阻力下降，從而可以進一步蠕變變形，動態(tài)回復起主要作用。圖8-4刃型位錯攀移克服障礙的模型15(1)位錯滑移蠕變圖8-4刃型位錯攀移克

(2)擴散蠕變在更高溫度(甚至接近于Tm時)→原子擴散進一步加劇→較多數(shù)量的原子(空位)直接發(fā)生遷移性擴散→擴散蠕變。圖8-5擴散蠕變模型16(2)擴散蠕變圖8-5擴散蠕變模型16

(3)擴散蠕變蠕變的協(xié)調機制-晶界滑動多晶體材料中原子受壓的晶界向受拉晶界擴散，結果使每一個晶粒都獨立發(fā)生變形，向拉應力方向伸長。這種晶粒形狀的變化必須通過晶界滑動來協(xié)調，否則就會在受壓晶界形成空隙。圖8-6晶界滑動17(3)擴散蠕變蠕變的協(xié)調機制-晶界滑動圖8-6圖8-7晶界滑動的協(xié)調機制18圖8-7晶界滑動的協(xié)調機制18

晶界滑動使晶粒2的上半部分向左移動而下半部分向右移動。在1/2晶界上物質堆積而2/3晶界上產生空隙。必須通過晶粒2中心附近的滑移造成塑性流動來消除，即通過晶內塑性變形來協(xié)調晶界滑動。19晶界滑動使晶粒2的上半部分向左移動而下半部分

(4)高溫塑性變形機制圖單晶體的高溫蠕變機制主要包括位錯滑移、攀移和擴散蠕變。在高溫下，由位錯和空位控制的蠕變機制，由于應變速率、應力和溫度的不同，又存在不同的形式。包括熱激活滑移機制、位錯芯區(qū)擴散控制的低溫位錯攀移蠕變、晶格點陣擴散控制的高溫位錯攀移蠕變、晶格擴散控制的N-H蠕變和晶界擴散控制的Coble蠕變。20(4)高溫塑性變形機制圖20

對于給定的材料，在一定溫度/應力下某一變形機制占優(yōu)勢，當溫度/應力條件改變時變形機制也可能發(fā)生變化。換句話說，在一定溫度/應力下可能有多種變形機制起作用，如位錯攀移蠕變和空位擴散蠕變同時發(fā)生，但溫度高、應力低時擴散蠕變所產生的應變量比攀移蠕變產生的應變量大，此時“占優(yōu)勢”的機制是擴散蠕變。材料的變形機制圖就是該材料在給定的溫度/應力下占優(yōu)勢的變形機制及變形速率的圖示。21對于給定的材料，在一定溫度/應力下某一變形機圖8-8純鎳的應力-溫度變形機制圖22圖8-8純鎳的應力-溫度變形機制圖222、蠕變斷裂機制主要是由于晶界滑動在晶界上形成裂紋并逐漸擴展而引起的，宏觀上為典型的脆性破壞。(1)機制一：在三晶粒交會處形成楔形裂紋高應力，較低溫度下，晶界滑動在三晶粒交匯處受阻→應力集中→形成空洞→相互連接形成楔形裂紋→長大→引起斷裂(晶界)。232、蠕變斷裂機制23圖8-9三岔晶界處形成楔形裂紋

(2)機制二：在晶界上由空洞形成晶界裂紋較低應力，較高溫度下，當晶界受垂直拉應力作用時，周圍晶界或晶粒內部的空穴聚集于此晶界，形成空洞核心→空洞超過臨界尺寸(r)而穩(wěn)定存在→長大→引起斷裂。24圖8-9三岔晶界處形成楔形裂紋(2)機制圖8-10晶界滑移形成空洞示意圖25圖8-10晶界滑移形成空洞示意圖25一、蠕變極限

蠕變極限：是金屬材料在高溫長期載荷作用下的塑性變形抗力指標。

蠕變極限的表示方法之一：在給定的溫度下，使試樣在蠕變第二階段產生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力?！?.3金屬高溫力學性能指標及其影響因素600℃1×10-5%/h26一、蠕變極限§8.3金屬高溫力學性能指標及其影響因素600

蠕變極限的表示方法二：在給定溫度t和規(guī)定時間τ(小時)內，使試樣產生規(guī)定蠕變變形量δ的最大應力。500℃100000h總伸長量為1%27蠕變極限的表示方法二：在給定溫度t和規(guī)定時間τ(小時)二、持久強度極限

蠕變極限：高溫長期載荷下對塑性變形的抗力(考慮了變形量)。

持久強度極限：高溫長期載荷下對斷裂的抗力(不考慮變形量)，指的是在給定溫度t下，達到規(guī)定的持續(xù)時間τ而不發(fā)生斷裂的最大應力，以MPa表示。28二、持久強度極限282929三、剩余應力1、應力松弛定義具有恒定總變形的試件中，隨著時間的延長自行減低應力的現(xiàn)象，稱為應力松弛；材料抵抗應力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性。圖8-11金屬應力松弛曲線松弛應力剩余應力30三、剩余應力圖8-11金屬應力松弛曲線松弛應力剩余應力30

(1)剩余應力σsh是評定金屬材料松弛穩(wěn)定性的指標。剩余應力愈高，松弛穩(wěn)定性愈好。(2)松弛穩(wěn)定性可用以評價材料在高溫下的預緊能力。31(1)剩余應力σsh是評定金屬材料松弛穩(wěn)定2、蠕變與松弛過程比較

蠕變：應力保持不變，塑性變形和總變形隨時間延長而增大。

松弛：總應變量保持不變，隨時間延長，塑性變形不斷取代彈性變形，使彈性應力不斷降低。蠕變和松弛在本質上并無區(qū)別，松弛現(xiàn)象可看成是一種在應力不斷減少條件下的蠕變過程；通常蠕變抗力高的材料，應力松弛抗力一般也高。322、蠕變與松弛過程比較32四、影響金屬高溫力學性能的主要因素1、合金化學成分的影響(1)熔點高，自擴散激活能大，層錯能低的金屬或合金，蠕變極限↑。(2)加入Cr，Mo，W，Nb，使固溶強化，↓層錯能，↑擴散激活能，↑蠕變極限。

(3)加入合金元素，生成彌散相，阻礙滑移和攀移，↑高溫強度。33四、影響金屬高溫力學性能的主要因素33

(4)加入B，Re等，↑晶界擴散激活能，阻礙晶界滑動，↑晶界裂紋表面能，↑高溫強度。2、冶煉工藝的影響(1)↓雜質元素和氣體含量，↓晶界偏聚，↓晶界弱化作用。(2)定向凝固，↓橫向晶界。例：汽輪機葉片。34(4)加入B，Re等，↑晶界擴散激活能，阻礙晶界滑動3、熱處理工藝的影響(1)珠光體耐熱鋼：↑正火溫度，使碳化物充分均勻溶解于A；回火應高于使用溫度100-150℃，↑組織穩(wěn)定性。(2)A耐熱鋼：固溶，時效，使碳化物沿晶界呈斷續(xù)鏈狀析出。(3)形變熱處理改變晶界形狀(形成鋸齒狀)，在晶內造成多邊化的亞晶。353、熱處理工藝的影響354、晶粒度的影響T<TE，細晶粒鋼強度高；T>TE，粗晶粒鋼強度高。采用適當?shù)木Я６?，?-4級，因為晶粒太大，δ↓，Ak↓例如：A耐熱鋼取2－4級，且晶粒度要均勻。364、晶粒度的影響361、考核內容及要求(1)(平時+作業(yè)+實驗)30%，考試70%。(2)各項考核內容以筆記為準。2、題型特點及內容重點(1)名詞解釋，填空題，單選題，問答題，計算題；(2)必須記格里菲斯公式、理論斷裂強度公式、塑性尺寸尺寸公式、中心穿透型裂紋的斷裂韌度修正公式(半橢圓裂紋不用記)。371、考核內容及要求37第八章金屬高溫力學性能歷史背景：(1)古代，人們發(fā)現(xiàn)懸掛的鉛管自身伸長現(xiàn)象。(2)1905年菲利普斯發(fā)表關于金屬絲、橡膠、玻璃在恒定拉應力作用下緩慢延伸的實驗結果。38第八章金屬高溫力學性能歷史背景：1

(3)1922年狄根遜提出，在相當長時間內承受應力時，尤其是在高溫下，任何材料在低于σb(室溫或試驗溫度)時也會發(fā)生破壞——蠕變的研究。現(xiàn)當代：

火箭發(fā)動機、汽輪機、石油化工機械等發(fā)展—高溫(T)、長期(t)。39(3)1922年狄根遜提出，在相當長一、溫度對金屬材料機械性能影響1、通常金屬的變形抗力隨溫度↑而↓：隨T↑,σ、HB↓。2、原因—晶格阻力下降，原子活動能力提高。(1)位錯運動障礙↓；(2)位錯運動方式↑：交滑移、攀移；(3)存在回復、再結晶等軟化機制；(4)存在晶界運動等形變機制。40一、溫度對金屬材料機械性能影響3二、時間對金屬材料力學性能的影響高溫下力學性能與載荷持續(xù)時間關系很大。例如：鋼的σb隨載荷持續(xù)時間↑而↓。故：(1)常溫下研究時：應力－應變曲線。(2)高溫下研究時：應力－應變+溫度+時間。41二、時間對金屬材料力學性能的影響4三、溫度和時間對斷裂路徑的影響溫度T↑，載荷t↑，斷裂由穿晶斷裂過渡到沿晶斷裂。原因：隨溫度T↑，晶界強度下降速度快于晶內強度的下降。42三、溫度和時間對斷裂路徑的影響5四、等強溫度(TE)概念晶粒與晶界兩者強度相等的溫度，稱為等強溫度。T<TE時，穿晶斷裂。T>TE時，沿晶斷裂。43四、等強溫度(TE)概念6圖8-1溫度和變形速率對金屬斷裂路徑的影響(a)等強溫度TE(b)變形速率對TE的影響

晶界強度對變形速度的敏感性比晶內強度大，所以，變形速率↑，TE↑。44圖8-1溫度和變形速率對金屬斷裂路徑的影響晶界強度對

(1)當約比溫度>0.5時——高溫狀態(tài)。(2)當約比溫度<0.5時——低溫狀態(tài)。(3)不同的金屬材料，在同樣的約比溫度下，其蠕變行為相似，力學性能的變化規(guī)律也是相同的。五、高溫和低溫的判定45(1)當約比溫度>0.5時——高溫狀態(tài)。五、高溫和一、蠕變現(xiàn)象1、蠕變：金屬在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產生塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變。約比溫度T/Tm>0.3時須考慮。2、蠕變斷裂：由蠕變而最后導致材料的斷裂。§8.1金屬的蠕變現(xiàn)象46一、蠕變現(xiàn)象§8.1金屬的蠕變現(xiàn)象93、蠕變曲線

圖8-2典型蠕變曲線473、蠕變曲線圖8-2典型蠕變曲線10

(1)第一階段：減速蠕變階段也稱過渡蠕變階段、初級蠕變或第一階段蠕變，Primarycreep。加工硬化占主體。(2)第二階段：恒速蠕變階段也稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段、第二階段蠕變或二級蠕變，secondarycreep。加工硬化與回復等軟化機制作用相等。48(1)第一階段：減速蠕變階段11

(3)第三階段：加速蠕變階段隨τ↑，蠕變速率↑，直至蠕變斷裂。也是一個裂紋形成和擴展的過程。注：同一材料的蠕變曲線隨應力、溫度而變。圖8-3(a)恒溫改變應力；(b)恒應力下改變溫度49(3)第三階段：加速蠕變階段圖8-3

應力松弛：在規(guī)定溫度和初始應力條件下，金屬材料中的應力隨時間增加而減小的現(xiàn)象。50應力松弛：在規(guī)定溫度和初始應力條件下，金屬材1、蠕變的變形機制(1)常溫下：位錯的增殖與運動→產生塑性變形→位錯運動受阻→變形停止。(2)但在高溫下：外界提供熱激活能，促進原子擴散→位錯持續(xù)運動→產生了蠕變變形。§8.2蠕變變形與蠕變斷裂機制511、蠕變的變形機制§8.2蠕變變形與蠕變斷裂機制14

(1)位錯滑移蠕變變形時，溫度升高，原子擴散加劇，促進位錯攀移引起動態(tài)回復，形成亞晶，導致位錯運動阻力下降，從而可以進一步蠕變變形，動態(tài)回復起主要作用。圖8-4刃型位錯攀移克服障礙的模型52(1)位錯滑移蠕變圖8-4刃型位錯攀移克

(2)擴散蠕變在更高溫度(甚至接近于Tm時)→原子擴散進一步加劇→較多數(shù)量的原子(空位)直接發(fā)生遷移性擴散→擴散蠕變。圖8-5擴散蠕變模型53(2)擴散蠕變圖8-5擴散蠕變模型16

(3)擴散蠕變蠕變的協(xié)調機制-晶界滑動多晶體材料中原子受壓的晶界向受拉晶界擴散，結果使每一個晶粒都獨立發(fā)生變形，向拉應力方向伸長。這種晶粒形狀的變化必須通過晶界滑動來協(xié)調，否則就會在受壓晶界形成空隙。圖8-6晶界滑動54(3)擴散蠕變蠕變的協(xié)調機制-晶界滑動圖8-6圖8-7晶界滑動的協(xié)調機制55圖8-7晶界滑動的協(xié)調機制18

晶界滑動使晶粒2的上半部分向左移動而下半部分向右移動。在1/2晶界上物質堆積而2/3晶界上產生空隙。必須通過晶粒2中心附近的滑移造成塑性流動來消除，即通過晶內塑性變形來協(xié)調晶界滑動。56晶界滑動使晶粒2的上半部分向左移動而下半部分

(4)高溫塑性變形機制圖單晶體的高溫蠕變機制主要包括位錯滑移、攀移和擴散蠕變。在高溫下，由位錯和空位控制的蠕變機制，由于應變速率、應力和溫度的不同，又存在不同的形式。包括熱激活滑移機制、位錯芯區(qū)擴散控制的低溫位錯攀移蠕變、晶格點陣擴散控制的高溫位錯攀移蠕變、晶格擴散控制的N-H蠕變和晶界擴散控制的Coble蠕變。57(4)高溫塑性變形機制圖20

對于給定的材料，在一定溫度/應力下某一變形機制占優(yōu)勢，當溫度/應力條件改變時變形機制也可能發(fā)生變化。換句話說，在一定溫度/應力下可能有多種變形機制起作用，如位錯攀移蠕變和空位擴散蠕變同時發(fā)生，但溫度高、應力低時擴散蠕變所產生的應變量比攀移蠕變產生的應變量大，此時“占優(yōu)勢”的機制是擴散蠕變。材料的變形機制圖就是該材料在給定的溫度/應力下占優(yōu)勢的變形機制及變形速率的圖示。58對于給定的材料，在一定溫度/應力下某一變形機圖8-8純鎳的應力-溫度變形機制圖59圖8-8純鎳的應力-溫度變形機制圖222、蠕變斷裂機制主要是由于晶界滑動在晶界上形成裂紋并逐漸擴展而引起的，宏觀上為典型的脆性破壞。(1)機制一：在三晶粒交會處形成楔形裂紋高應力，較低溫度下，晶界滑動在三晶粒交匯處受阻→應力集中→形成空洞→相互連接形成楔形裂紋→長大→引起斷裂(晶界)。602、蠕變斷裂機制23圖8-9三岔晶界處形成楔形裂紋

(2)機制二：在晶界上由空洞形成晶界裂紋較低應力，較高溫度下，當晶界受垂直拉應力作用時，周圍晶界或晶粒內部的空穴聚集于此晶界，形成空洞核心→空洞超過臨界尺寸(r)而穩(wěn)定存在→長大→引起斷裂。61圖8-9三岔晶界處形成楔形裂紋(2)機制圖8-10晶界滑移形成空洞示意圖62圖8-10晶界滑移形成空洞示意圖25一、蠕變極限

蠕變極限：是金屬材料在高溫長期載荷作用下的塑性變形抗力指標。

蠕變極限的表示方法之一：在給定的溫度下，使試樣在蠕變第二階段產生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力?！?.3金屬高溫力學性能指標及其影響因素600℃1×10-5%/h63一、蠕變極限§8.3金屬高溫力學性能指標及其影響因素600

蠕變極限的表示方法二：在給定溫度t和規(guī)定時間τ(小時)內，使試樣產生規(guī)定蠕變變形量δ的最大應力。500℃100000h總伸長量為1%64蠕變極限的表示方法二：在給定溫度t和規(guī)定時間τ(小時)二、持久強度極限

蠕變極限：高溫長期載荷下對塑性變形的抗力(考慮了變形量)。

持久強度極限：高溫長期載荷下對斷裂的抗力(不考慮變形量)，指的是在給定溫度t下，達到規(guī)定的持續(xù)時間τ而不發(fā)生斷裂的最大應力，以MPa表示。65二、持久強度極限286629三、剩余應力1、應力松弛定義具有恒定總變形的試件中，隨著時間的延長自行減低應力的現(xiàn)象，稱為應力松弛；材料抵抗應力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性。圖8-11金屬應力松弛曲線松弛應力剩余應力67三、剩余應力圖8-11金屬應力松弛曲線松弛應力剩余應力30

(1)剩余應力σsh是評定金屬材料松弛穩(wěn)定性的指標。剩余應力愈高，松弛穩(wěn)定性愈好。(2)松弛穩(wěn)定性可用以評價材料在高溫下的預緊能力。68(1)剩余應力σsh是評定金屬材料松弛穩(wěn)定2、蠕變與松弛過程比較