文件第九章金屬材料高溫力學(xué)行為

第九章

金屬材料高溫力學(xué)行為很多情況下，材料在高溫使用。如高壓鍋爐，蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、以及化工廠的反應(yīng)容器等。高溫：超過金屬再結(jié)晶溫度，即(0.4~0.5)Τm，Τm為金屬的熔點(diǎn)。高溫下一定時(shí)間內(nèi)，金屬的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變。高溫力學(xué)性能明顯地不同于室溫，其變形和斷裂機(jī)制變化。需要清楚知道材料的高溫力學(xué)性能。問題的提出回憶：學(xué)過的溫度對力學(xué)性能影響的知識高溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線一般規(guī)律：溫度升高，拉伸強(qiáng)度和彈性模 量下降，塑性變形能力增加；一種彌散強(qiáng)化鋁合金的高溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線已學(xué)過知識未特別關(guān)注：高溫下，材料力學(xué)性能隨時(shí)間延長的變化規(guī)律。對高溫下長時(shí)間服役的材料，發(fā)現(xiàn)：即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，材料會(huì)發(fā)生塑性變形或破壞。該現(xiàn)象不能用已學(xué)過知識解釋9.1金屬的蠕變?nèi)渥?材料在高溫和恒應(yīng)力(即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度)下，隨時(shí)間延長發(fā)生緩慢塑性變形的現(xiàn)象。較低溫度下，蠕變不明顯；高于0.3Tm時(shí)，蠕變愈來愈明顯。高溫拉伸過程中是否會(huì)有蠕變發(fā)生？高溫疲勞過程中是否會(huì)有蠕變發(fā)生？材料的高溫力學(xué)性能均與蠕變密切相關(guān)。蠕變的物理本質(zhì)蠕變的測試與表征蠕變壽命分析與預(yù)測蠕變試驗(yàn)需要澄清3個(gè)問題：出發(fā)點(diǎn)根據(jù)定義：只要在恒定溫度下對材料施加恒定應(yīng)力，記錄試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)試樣塑性變形，即可實(shí)現(xiàn)蠕變試驗(yàn)。如何實(shí)現(xiàn)蠕變試驗(yàn)過程中的真應(yīng)力？蠕變試驗(yàn)機(jī)原理示意圖恒定溫度恒定載荷蠕變?nèi)齻€(gè)階段:第Ⅰ階段：減速蠕變階段;蠕變速率隨時(shí)間延長而下降。第Ⅱ階段：穩(wěn)態(tài)(或恒速)蠕變階段，蠕變速率保持不變;第Ⅲ階段：加速蠕變階段,蠕變速率隨時(shí)間延長而增加。蠕變曲線蠕變曲線隨應(yīng)力和溫度的變化規(guī)律應(yīng)力增加或溫度升高，減速蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變縮短，穩(wěn)態(tài)蠕變甚至?xí)В铀偃渥兲崆?。如果能夠通過高應(yīng)力或溫度下的蠕變預(yù)測較低應(yīng)力或溫度的蠕變性能，則可大大縮短周期。不利有利蠕變曲線e

=

e

+

btn

+at0n是小于1的正數(shù)；第二項(xiàng)反應(yīng)減速蠕變應(yīng)變；第三項(xiàng)是反映恒速蠕變應(yīng)變。對上式求導(dǎo)，得?e

=

bntn-1

+a其中a的物理意義是代表第Ⅱ階段的蠕變速率。蠕變極限：高溫服役的機(jī)件在其服役期內(nèi)不允許產(chǎn)生過量的 蠕變變形，需定義一個(gè)力學(xué)性能參數(shù)用于表征蠕變變形的抗 力。確定蠕變極限有兩種方法(GB/T2039-1997)：①在給定溫度下，第Ⅱ階段內(nèi)的蠕變速率等于規(guī)定值的應(yīng)力，②在給定溫度和試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生規(guī)定的總應(yīng)變量的應(yīng)力，9.2蠕變性能的表示=80。MPa10-5s

500?e定義為蠕變極限，記作

s

T

(M，P例a)

如e

/

t定義為蠕變極限，并記為s

T

，例如1/10000=100MPa。s

500GB/T2039-2012的規(guī)定規(guī)定塑性應(yīng)變強(qiáng)度：規(guī)定的試驗(yàn)溫度T，依據(jù)應(yīng)力

s0在試樣上施加恒定的拉伸力，經(jīng)過一定的試驗(yàn)時(shí)間(達(dá)到規(guī)定塑性應(yīng)變的時(shí)間tpx)所能產(chǎn)生預(yù)計(jì)塑性應(yīng)變的應(yīng)力s0。規(guī)定塑性應(yīng)變強(qiáng)度用Rp表示，以最大塑性應(yīng)變量x/%作為第二角標(biāo)，達(dá)到應(yīng)變量的時(shí)間為第三角標(biāo)，試驗(yàn)溫度T/°C為第四角標(biāo)的符號Rp表示。例如：Rp,

0.2,

1000/650:最大塑性應(yīng)變量為0.2%，達(dá) 到應(yīng)變時(shí)間為1000h，試驗(yàn)溫度為650°C的規(guī)定 塑性應(yīng)變強(qiáng)度。蠕變第一階段是很短的，不超過幾百小時(shí)。一般在高溫下工作的機(jī)件所要求的壽命都設(shè)定在蠕變第二階段。因此人們對蠕變第二階段特別關(guān)注，對于應(yīng)力和溫度這兩個(gè)重要參數(shù)和蠕變第二階段速率的關(guān)系，已總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。e

=

A

s

n式中A，n為常數(shù)，單相合金,n=3~6；對彌散強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化合金n值可高達(dá)30～40。?應(yīng)力指數(shù)n的大小，可由實(shí)驗(yàn)作圖得出，在ln

e-lns圖中,蠕變速率和應(yīng)力為線性關(guān)系,斜率為n。n并非完全是材料常數(shù)，隨著溫度的升高(在該試驗(yàn)溫度范圍)n略有降低。有實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)接近材料的熔點(diǎn)時(shí)，n值近似等于1。當(dāng)應(yīng)力增高到使蠕變速率超過0.001/h時(shí)，上述方程便不再適用。?A316不銹鋼Al-Li合金蠕變極限的估算用線性回歸分析法求出n和A后，用內(nèi)插法或外推 法，或直接使用上述公式，就能夠求出規(guī)定蠕變 速率下的外加應(yīng)力（蠕變極限）。用較大的應(yīng)力、較短時(shí)間做出的蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 可用外推法求出長時(shí)間、小蠕變速率下的條件蠕 變極限，從而可節(jié)約大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。這種方法并不完全可靠，慎重使用。穩(wěn)態(tài)蠕變速率與斷裂時(shí)間的關(guān)系?e

t

f

=

CC是與材料蠕變斷裂前伸長有關(guān)的常數(shù)。只要知道斷裂時(shí)間就可求出穩(wěn)態(tài)蠕變速率，但是對于第二階段很短或者不存在的情況下慎用蠕變斷裂強(qiáng)度(持久強(qiáng)度)對于某些在高溫下工作的零件，蠕變變形很小或是對變形要 求不嚴(yán)格（例如鍋爐管道），只要求零件在使用期內(nèi)不發(fā)生 斷裂。在這種情況下，要用蠕變斷裂強(qiáng)度(持久強(qiáng)度)作為評 價(jià)材料、設(shè)計(jì)零件的主要依據(jù)。GB/T2039-1997:持久強(qiáng)度是材料在一定的溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力，記作

。例如Tts

(MPa)1000=200MPa

。s

600GB/T2039-2012蠕變斷裂強(qiáng)度是規(guī)定的試驗(yàn)溫度T，依據(jù)應(yīng)力s0在試樣上施加恒定的拉伸力，經(jīng)過一定的試驗(yàn)時(shí)間

(蠕變斷裂時(shí)間tu)所引起的斷裂的應(yīng)力s0。蠕變斷裂強(qiáng)度用Ru表示，以蠕變斷裂時(shí)間tu/h作為 第二角標(biāo)，試驗(yàn)溫度T/°C為第三角標(biāo)的符號Ru表 示。例如：Ru,

100000/550:蠕變斷裂時(shí)間為100

000h，試 驗(yàn)溫度為550°C的蠕變斷裂強(qiáng)度。持久強(qiáng)度的估算測定材料的持久強(qiáng)度的試驗(yàn)時(shí)間很長，可達(dá)幾萬甚至十萬余小時(shí)。經(jīng)驗(yàn)公式：tf=

A￠s

m在lgs

-lg

t

f

坐標(biāo)中根據(jù)斜率可求出m。工程上常以短時(shí)間的持久強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照上式可外推出長時(shí)間的持久強(qiáng)度。持久斷后(蠕變斷裂后)的伸長率和截面收縮率持久斷后伸長率和截面收縮率反應(yīng)材料在高溫長時(shí)間下的塑性性能，是衡量材料蠕變脆性的一個(gè)重要指標(biāo)持久塑性用試件斷裂后的延伸率d(Au)和斷面收縮率y

(Zu)來表示。持久塑性一般隨溫度的增加而下降，在某一時(shí)間范圍內(nèi)可能出現(xiàn)最低值。最低值出現(xiàn)的時(shí)間與材料的內(nèi)部組織變化有關(guān)。因此和溫度有關(guān).Ni基高溫合金中的組織變化9.3

蠕變中組織的變化、變形和斷裂機(jī)制蠕變過程中合金組織的變化一:高溫蠕變中的滑移變

形會(huì)出現(xiàn)新的滑移系。且不像室溫那樣均勻

分布，而是有些晶粒

的變形較大，另一些

晶粒的變形較小。蠕變過程中合金組織的變化二:相析出Ni基高溫合金蠕變過程中析出的g

相?應(yīng)力和溫度對AISI316不銹鋼蠕變變形亞結(jié)構(gòu)的影響(H.-J.Kestenbach,W.Krause,

and

T.

L.

da

Silvei