材料性能與測試課件-第七章材料的高溫性能

第七章材料的高溫力學性能1

很多機件長期在高溫下服役（如高壓蒸汽鍋爐、汽輪機、柴油機、航空發(fā)動機及化工煉油設備等）。隨溫度升高，力學性能發(fā)生極大的變化。強度降低，塑性增加，而且高溫下性能和載荷持續(xù)時間關系很大，例如，鍋爐管道在使用時會產(chǎn)生緩慢而連續(xù)的塑性變形，管頸增大，引起破裂；20鋼室溫抗拉強度410MPa，450℃時短時抗拉強度320MPa，承受225MPa應力持續(xù)時間300h，承受115MPa應力，持續(xù)時間為1000h；金屬的斷裂由常溫下常見的穿晶斷裂過渡到沿晶斷裂，因為溫度升高時晶粒強度和晶界強度都要降低，由于晶界上原子排列不規(guī)則，擴散容易通過晶界進行，因此，晶界強度下降較快?！煲?/p>

2金屬材料的高溫力學性能是相對于該金屬熔點而言的，用“約比溫度（T/Tm）”判定，T為試驗溫度，Tm為金屬的熔點。當T/Tm﹥0.4-0.5時為“高”溫，反之則為“低”溫。討論材料的高溫變形行為、力學性能指標、以及影響因素等問題。金屬：T>0.3-0.4Tm;陶瓷：T>0.4-0.5Tm；高分子材料T>Tg3A－玻璃態(tài)；B—過渡態(tài)；C—高彈態(tài)；D—過渡態(tài)；E—粘流態(tài)；Tb—脆化溫度；Tg—玻璃化溫度；Tf—粘流溫度

溫度低于玻璃化溫度Tg

時，高聚物的內部結構類似于玻璃，故被稱為玻璃態(tài)。室溫下處于玻璃態(tài)的高聚物稱為塑料。當溫度T<Tb，高聚物處于硬玻璃態(tài)，拉抻試驗時發(fā)生脆性斷裂，試件的延伸率很小，斷口與拉力方向垂直，彈性模量比其它狀態(tài)下的彈性模量都要大，無彈性滯后，彈性變形量很小。因此，將這種彈性變形稱普彈性變形。4

當Tb<T<Tg時，高聚物處于軟玻璃狀態(tài)。普彈性變形后產(chǎn)生的變形為受迫高彈性變形。在外力除去后，受迫高彈性變形被保留下來，成為“永久變形”，其數(shù)值可達300%-1000%。這種變形在本質上是可逆的，但只有加熱到Tg

以上，變形的恢復才有可能。5某些高聚物在玻璃態(tài)下拉伸時，會產(chǎn)生垂直于拉應力方向的銀紋（craze）。受力或環(huán)境介質的作用都可能引發(fā)銀紋。

聚苯乙烯板中的銀紋圖中箭頭指主應力方向；（b）是圖（a）中一段的放大照片(a)(b)6銀紋可以發(fā)展到與試件尺度相當?shù)拈L度，但不會導致試件斷裂，裂紋遠未達到這樣大的尺寸時試樣已斷裂；在恒定載荷作用下銀紋恒速發(fā)展，而裂紋的生長是加速的；試件剛度不隨銀紋化的程度而改變，但裂紋會導致剛度下降；銀紋的擴展取決于試樣的平均應力，裂紋則取決于尖端的應力強度因子。

銀紋的出現(xiàn)標志著材料已受損傷，對材料強度有不良的影響；根據(jù)銀紋的形成過程，可認為它又是高分子材料的一種變形機理。

高分子材料是脆性裂斷還是延性裂斷，取決于裂尖出現(xiàn)銀紋區(qū)還是塑性區(qū)這兩種過程的競爭[196,197]，銀紋也會發(fā)展成為裂紋。但銀紋并不是裂紋，其差別主要體現(xiàn)在:7§7.1高溫蠕變性能§7.2其它高溫力學性能§目錄

81、蠕變概念：

金屬在長時間的恒溫、恒載荷下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由于這種變形而最后導致金屬材料的斷裂稱為蠕變斷裂。（蠕變在較低溫度下也會發(fā)生，但只有當約比溫度大于0.3時才比較明顯，如碳鋼超過300℃，合金鋼超過400℃。)§7.1高溫蠕變性能一、蠕變的概念和規(guī)律9速率即曲線上任一點的斜率。

OA：瞬時應變ε0；

AB(Ⅰ)：減速(過渡)蠕變階段，蠕變速率逐漸減小；

BC(Ⅱ)：恒速(穩(wěn)態(tài))蠕變階段，蠕變速率幾乎不變；

CD(Ⅲ)：加速(失穩(wěn))蠕變階段，蠕變速率逐漸增大；

D：蠕變斷裂。圖7-1蠕變曲線2、典型蠕變曲線－金屬和陶瓷ABCOD10蠕變第一階段以晶內滑移和晶界滑動方式產(chǎn)生變形。位錯剛開始運動時，障礙較少，蠕變速度較快。隨后位錯逐漸塞積、位錯密度逐漸增大，晶格畸變不斷增加，造成形變強化。在高溫下，位錯雖可通過攀移形成亞晶而產(chǎn)生回復軟化，但位錯攀移的驅動力來自晶格畸變能的降低。在蠕變初期由于晶格畸變能較小，所以回復軟化過程不太明顯。3、典型蠕變曲線的微觀解釋11

蠕變第二階段，晶內變形以位錯滑移和攀移方式交替進行，晶界變形以滑動和遷移方式交替進行。晶內滑移和晶界滑動使金屬強化，但位錯攀移和晶界遷移則使金屬軟化。由于強化和軟化的交替作用，當達到平衡時，就使蠕變速度保持恒定。蠕變發(fā)展到第三階段，由于裂紋迅速擴展，蠕變速度加快。當裂紋達到臨界尺寸便產(chǎn)生蠕變斷裂。12

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)象稱應力松馳。（由于金屬在長時間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片等，可能隨時間的延長，在總變形量不變的情況下，彈性變形不斷地轉變?yōu)樗苄宰冃?，從而使工作應力逐漸降低，以致失效）。應力松馳可以看作是應力不斷降低條件下的蠕變過程，因此，蠕變與應力松馳既有區(qū)別又有聯(lián)系。4、應力松弛圖7-2應力松弛曲線135、典型蠕變曲線－高分子材料

AB(Ⅰ)：可逆形變(彈性變形)；

BC(Ⅱ)：延遲彈性變形(高彈性變形)CD(Ⅲ)：不可逆變形，后期縮頸，蠕變斷裂；

D：蠕變斷裂。區(qū)別：粘彈性決定；彈性變形引起的蠕變可以回復圖7-3高分子材料的蠕變曲線14二、蠕變變形及斷裂機理蠕變變形是通過位錯滑移、原子擴散和晶界滑動等方式實現(xiàn)的。

在常溫下，若滑移面上位錯運動受阻，產(chǎn)生塞積現(xiàn)象，滑移便不能進行。

但在高溫蠕變條件下，由于熱激活，就有可能使滑移面上塞積的位錯進行攀移，形成小角度亞晶界（此即高溫回復階段的多邊化），從而導致金屬材料的軟化，使滑移繼續(xù)進行。在高溫蠕變條件下，由于晶界強度降低，其變形量就大，有時甚至占總蠕變變形量的一半，這是蠕變變形的特點之一。1、蠕變變形機理15圖7-4刃型位錯攀移克服障礙模型(a)逾越障礙在新滑移面上運動；(b)與臨近滑移面上的異號位錯反應；(c)形成小角晶界；(d)消失于大角晶界圖7-5擴散蠕變機理示意圖162、蠕變斷裂機理

蠕變斷裂主要是沿晶斷裂。在裂紋成核和擴展過程中，晶界滑動引起的應力集中與空位的擴散起著重要作用。由于應力和溫度的不同，裂紋成核有兩種類型。

1)裂紋成核于三晶粒交會處，在高應力和較低溫度下，在晶粒交會處由于晶界滑動造成應力集中而產(chǎn)生裂紋。

2)裂紋成核分散于晶界上，在較低應力和較高溫度下，蠕變裂紋常分散在晶界各處，特別易產(chǎn)生在垂直于拉應力方向的晶界上。蠕變裂紋形成后，隨著時間增加，裂紋不斷擴展，達到臨界值時，材料發(fā)生蠕變斷裂。17圖7-6蠕變斷裂過程示意圖183、蠕變斷裂形貌金屬材料蠕變斷裂斷口：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；另一個特征是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋．微觀特征為：主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂．19圖7-7Ni基高溫合金發(fā)動機葉片蠕變斷裂后形貌20圖7-8

Thefracturesurfaceofdispersionstrengthenedplatinum-aluminawire(creeptestinairat1300°C).Atthiselevatedtemperaturedispersionstrengthenedplatinumshowsneckingonthebacksurfacebuttranscrystallinecleavageonthefracturesurface.(Theblackmark,lowerleftonthespecimenisdetritus)21圖7-9:EBSDimageofacreepcrack(inblack)andsurroundingmicrostructure.Thedifferentlycolouredareasaboveandbelowthecrackrepresentdifferentprioraustenitegrains.9-12wt.%Crsteelisoneoftheheat-resistantalloysdevelopedforfossil-firedpowerplant.Underoperatingconditions,oneofthepossiblemechanismsoffailureisbycreepcracking.Onepossibleapproachtodesigningagainstcreepcrackingisbymanipulatingthegrainboundarymicrostructureintheaustenitephasebeforetransformationtomartensite.22圖7-10Nickel-basedsuperalloyTMS82duringtheearlystagesofprimarycreepshowingandislocationribbonpassingthroughbothprecipitates231.蠕變極限：金屬材料在高溫長時間載荷作用下的塑性變形抗力指標。

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。和常溫下的屈服強度σ0.2相似。蠕變極限的表示方式：

1）在規(guī)定溫度（t）下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率(ε,%/h)的最大應力，以符號表示。例如，表示溫度為600℃的條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率為1×10-5%/h的蠕變極限為80Mpa.三、蠕變性能指標242）在規(guī)定溫度(T)下，和在規(guī)定試驗時間(t)內，使試樣產(chǎn)生一定的蠕變總伸長率(ε)的最大應力。以表示。如，表示材料在600℃溫度下，10000小時后總伸長率為1%的蠕變極限為100Mpa。試驗時間及蠕變總伸長率的具體數(shù)值根據(jù)機件工作時間來規(guī)定的。252、持久強度高溫長時載荷下斷裂的抗力。在規(guī)定溫度（T）下，達到規(guī)定時間（t）而不發(fā)生斷裂的應力值。以表示。例如：某高溫合金，表示該合金在600℃下，1000小時的持久強度極限為30Mpa。若工作應力大于30MPa或者時間大于1000h，試樣會斷裂；對于重要的零件，例如航空發(fā)動機的渦輪盤、葉片等，不僅要求材料具有一定的蠕變極限，同時具有一定的持久強度。持久強度是實驗測定的，持久強度試驗時間通常比蠕變極限試驗要長得多，根據(jù)設計要求，最長可達幾萬至幾十萬小時。26GH－變形高溫合金K－鑄造高溫合金FGH－粉末高溫合金MGH－機械合金化高溫合金DK－定向鑄造DD－定向單晶1、2－鐵基、鐵鎳基3、4－鎳基合金5、6－鈷基合金其中：1、3、5－固溶強化；2、4、6－沉淀強化；后接三位數(shù)字－合金編號Ni－(19-22%)Cr－(7.5-9%)W、Mo－(0.4-0.8%)Al、Ti27四、蠕變性能測試以金屬為例，采用GBT2039-1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》標準，將試樣加熱至規(guī)定溫度，沿試樣軸線方向施加拉伸力并保持恒定，將試樣拉至規(guī)定變形量或者斷裂，測出蠕變極限和持久強度。圖7-11蠕變試樣加工圖28圖7-12蠕變測試設備29大型蠕變測試設備圖7-13大型蠕變測試裝置30五、蠕變性能影響因素蠕變是在一定應力條件下，材料熱激活微觀過程的宏觀表現(xiàn)，要降低蠕變速率，提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速率；要提高持久強度，必須抑制晶界滑動和空位擴散，即控制晶界晶內擴散；這取決于材料化學成分、處理工藝；1、化學成分：耐熱鋼一般選用熔點高、自擴散激活能大、層錯能低的元素；加入高熔點合金元素；加入晶界強化元素，如硼、稀土等；陶瓷材料共價鍵、離子鍵，有較高的抵抗晶格畸變、阻礙位錯運動的能力，具有較好的抗高溫蠕變性能；312、冶金工藝：耐熱鋼中的冶金缺陷如夾雜夾氣，弱化晶界，降低蠕變性能；Ni基合金經(jīng)過真空冶煉后，鉛含量從百萬分之五降到百萬分之二以下，持久強度增長了1倍；采用定向凝固工藝使柱狀晶沿受力方向生長，減少橫行晶界，大大提高持久強度；3、熱處理工藝：珠光體耐熱鋼一般采用正火加回火工藝；奧氏體耐熱鋼一般采用固熔處理和時效；形變熱處理改變晶界形狀；陶瓷材料的晶界狀態(tài)決定了蠕變的機制是