金屬高溫力學(xué)性能

1、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)于這類機(jī)件的材料，只考慮常溫短時(shí)靜載時(shí)的力學(xué)性能是不夠的。 如化工設(shè)備中高溫高壓管道，雖然承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度，但在長(zhǎng)期使用過程中會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，即蠕變現(xiàn)象，使管徑逐步增大，甚至?xí)?dǎo)致管道破裂。,2,對(duì)長(zhǎng)期在高溫條件下工作的金屬機(jī)件，如果僅考慮常溫短時(shí)靜載下的力學(xué)性能顯然是不夠的。因?yàn)闇囟群妥饔脮r(shí)間對(duì)金屬材料的力學(xué)性能影響很大。 1、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、載荷持續(xù)時(shí)間的影響：如果不考慮環(huán)境介質(zhì)的影響，則可認(rèn)為材料的常溫

2、靜載力學(xué)性能與載荷持續(xù)時(shí)間關(guān)系不大。但在高溫下，載荷持續(xù)時(shí)間對(duì)力學(xué)性能有很大影響。,3, s ，長(zhǎng)期使用過程中，會(huì)產(chǎn)生蠕變 ，可能最終導(dǎo)致斷裂。 隨載荷持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，高溫下鋼的rm降低。 在高溫短時(shí)拉伸時(shí)，材料的塑性增加；但在長(zhǎng)時(shí)載荷作用下，金屬材料的塑性卻顯著降低，缺口敏感性增加，往往呈現(xiàn)脆性斷裂。 溫度和時(shí)間的聯(lián)合作用還影響材料的斷裂路徑。,4,3、等強(qiáng)溫度 隨試驗(yàn)溫度的升高，金屬的斷裂由常溫下常見的穿晶斷裂過渡到沿晶斷裂。 原因：溫度升高時(shí)，晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度都降低，（如圖所示）但由于晶界上原子排列不規(guī)則，擴(kuò)散容易通過晶界進(jìn)行，因此晶界強(qiáng)度下降較快。 等強(qiáng)溫度 晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的

3、溫度。用te表示。 等強(qiáng)溫度隨變形速率的增加而升高。這是由于晶界強(qiáng)度對(duì)變形速率的敏感性要比晶粒大得多。,5,金屬材料在高溫下的力學(xué)性能，還必須加入溫度和時(shí)間兩個(gè)因素，研究溫度、應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系，才能建立評(píng)定金屬材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)。 4、約比溫度 定義：試驗(yàn)溫度t與金屬熔點(diǎn)tm的比值（t/tm）。t，tm均為絕對(duì)溫度。 衡量：當(dāng)t/tm 0.5時(shí)，為“高溫”；反之則為“低溫” 。 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。,6,81 金屬的蠕變現(xiàn)象 一、蠕變的定義 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

4、塑性變形的現(xiàn)象。 由蠕變變形導(dǎo)致的材料的斷裂，稱為稱為蠕變斷裂。 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300、合金鋼超過400時(shí)就必須考慮蠕變的影響。,7,二、金屬的蠕變過程 金屬的蠕變過程可用蠕變曲線來描述，典型的蠕變曲線如圖所示。 按蠕變速率的變化，曲線可以分為三個(gè)階段： 第一階段：ab 減速蠕變階段，又稱過渡蠕變階段。開始大，逐漸減速； 第二階段：bc 恒速蠕變階段，又稱穩(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。,8,同一材料的蠕變曲線隨著溫度高低及應(yīng)力的大小而有不同。如圖所示 應(yīng)力較小、溫度較低時(shí)：蠕變的

5、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，主要為加速蠕變。,9,應(yīng)力松弛 由于金屬在長(zhǎng)時(shí)高溫載荷下會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，對(duì)于在高溫下工作、依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)力的機(jī)件，如高溫管道內(nèi)用的螺栓等，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，在總變形量不變的前提下，彈性變形變?yōu)樗苄宰冃?，從而使工作?yīng)力降低，導(dǎo)致失效。 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)象稱為應(yīng)力松弛。 可以看成應(yīng)力不斷降低條件下的蠕變過程。 注意：應(yīng)力松弛與蠕變的區(qū)別,10,8-2 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位錯(cuò)

6、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，如果滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生塞積，滑移就不能進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位移重新運(yùn)動(dòng)和增殖。 高溫下，位錯(cuò)可借助于外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散克服某些短程障礙，有利于加強(qiáng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)（滑移、攀移、交滑移等），克服短程障礙。從而產(chǎn)生塑性變形。,11,高溫下的熱激活過程主要是刃型位錯(cuò)的攀移，模型。如圖所示 當(dāng)塞積在某種障礙前的位錯(cuò)通過熱激活可以在新的滑移面上運(yùn)動(dòng)，或與異號(hào)位錯(cuò)相遇對(duì)消、或形成亞晶界、或被晶界吸收。 當(dāng)塞積群中某一位錯(cuò)被激活發(fā)生攀移時(shí)，位錯(cuò)源便可能再次放出一個(gè)位錯(cuò)，從而形成動(dòng)態(tài)回復(fù)過程，蠕變得以不斷發(fā)展

7、。,12,在蠕變第一階段：由于蠕變變形逐步產(chǎn)生應(yīng)變硬化，使位錯(cuò)源移動(dòng)的阻力及位錯(cuò)滑移的阻力逐漸增大，使得蠕變速率不斷降低。也稱為“減速蠕變階段”。 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。 在蠕變第二階段：動(dòng)態(tài)回復(fù)（軟化），硬化與軟化達(dá)到平衡，蠕變速率為一常數(shù)。,13,（二）擴(kuò)散蠕變 這是在較高溫度下的一種蠕變變形機(jī)理，約比溫度t/tm0.5。 高溫和應(yīng)力的作用下，空位、原子的定向擴(kuò)散（不均勻應(yīng)力場(chǎng)）。 材料產(chǎn)生蠕變。 承受拉應(yīng)力（a、b晶界）的晶界，空位濃度減??；承受壓應(yīng)力（c、d晶界）的晶界，空位濃度增加。如圖所示 這種晶體內(nèi)空位從受拉

8、晶界向受壓晶界遷移，原子朝相反方向運(yùn)動(dòng)，使得晶體伸長(zhǎng)的蠕變，稱為擴(kuò)散蠕變。,14,（三）晶界滑動(dòng) 高溫和應(yīng)力的作用下，因晶界上的原子容易擴(kuò)散，受力后晶界易產(chǎn)生滑動(dòng)（即晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)），也促進(jìn)蠕變進(jìn)行。 晶界滑動(dòng)對(duì)蠕變的貢獻(xiàn)較小，一般在10左右；此機(jī)理不是獨(dú)立的機(jī)理，因晶界滑動(dòng)要與晶內(nèi)滑移變形相配合，否則不能維持晶界的連續(xù)性，導(dǎo)致晶界產(chǎn)生裂紋。 晶粒減小，晶界滑動(dòng)對(duì)蠕變的作用越大。,15,二、蠕變斷裂機(jī)理 實(shí)驗(yàn)表明，不同溫度及應(yīng)力條件下，晶界裂紋的形成方式有兩種： 1、在三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋 這是在高應(yīng)力和低溫下，由于晶界滑動(dòng)在三晶粒交會(huì)處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞互相連接形成楔形裂紋。

9、如圖所示,16,2、在晶界上由空洞形成晶界裂紋 這是較低應(yīng)力和較高溫度下產(chǎn)生的裂紋。 這種裂紋出現(xiàn)在晶界上突起的部位和細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)附近，由于晶界滑動(dòng)產(chǎn)生空洞，這些空洞長(zhǎng)大并連接，就形成裂紋。如圖所示 由于蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生，所以晶界的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小和晶粒度的均勻性對(duì)蠕變斷裂都會(huì)產(chǎn)生很大影響。,17,三、斷口特征 1、宏觀特征 (1) 斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋（斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象）； (2) 由于高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。 2、微觀特征 冰糖狀花樣的沿晶斷裂。,18,8-3 高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素 一、蠕變極限 為了

10、保證高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的機(jī)件不會(huì)產(chǎn)生過量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。 1、定義 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)。,19,2、表達(dá)方式 (1) 在規(guī)定溫度（t）下，使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率 不超過規(guī)定值時(shí)的最大應(yīng)力，用 表示 。 例如： 表示：在600，穩(wěn)態(tài)蠕變速率 =110-5%/時(shí)的蠕變極限為60mpa。,20,(2) 在規(guī)定溫度（t）與試驗(yàn)時(shí)間（）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長(zhǎng)率（）不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力。用符號(hào) 表示。 例如： 表示：材料在500溫度下，10萬小時(shí)，蠕變總伸長(zhǎng)率=1%的蠕變極限為100mpa。 3、選取 選用哪種表示方法，根據(jù)服役工況來確定

11、。若蠕變速率大而服役時(shí)間短，可取表示方法。反之，服役時(shí)間長(zhǎng)，則取后一種表示方法。,21,4、測(cè)試 蠕變?cè)囼?yàn)裝置，如圖所示。 具體試驗(yàn)時(shí)，在同一溫度下要用4個(gè)以上的不同應(yīng)力進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，到規(guī)定的時(shí)間（數(shù)百至數(shù)千小時(shí)）后停止； 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪出應(yīng)力-穩(wěn)態(tài)蠕變速率或應(yīng)力-總伸長(zhǎng)率關(guān)系曲線；如圖所示 再用內(nèi)插法或外推法求蠕變極限。 注意：用外推法時(shí)，蠕變速率只能比最低試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)低一個(gè)數(shù)量級(jí)；否則，外推值不可靠。,22,二、持久強(qiáng)度極限 1、定義 在規(guī)定溫度（t）下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間（）而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。用 表示。 2、選取 對(duì)于設(shè)計(jì)某些在高溫運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不考慮變形量大小，而只考慮在承受給定應(yīng)力

12、下使用壽命的機(jī)件，一般選取持久強(qiáng)度。 如鍋爐的過熱蒸氣管，持久強(qiáng)度極限是很重要的性能指標(biāo)。,23,3、測(cè)試 通過高溫拉伸持久試驗(yàn)測(cè)定。不需要測(cè)定樣品的伸長(zhǎng)量，只要測(cè)定試樣在規(guī)定時(shí)間和應(yīng)力作用下至斷裂的時(shí)間。 對(duì)于設(shè)計(jì)壽命幾百至數(shù)千小時(shí)的機(jī)件，材料的持久強(qiáng)度極限可直接用同樣的時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)確定。 對(duì)于壽命長(zhǎng)的機(jī)件，使用數(shù)萬以上小時(shí)，不可能長(zhǎng)時(shí)間做測(cè)試，所以類似于蠕變?cè)囼?yàn)，一般做應(yīng)力較大、時(shí)間較短（數(shù)百小時(shí)）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出直線，通過外推法來求持久強(qiáng)度極限。如圖所示,24,三、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。可通過應(yīng)力松弛試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力松弛曲線來評(píng)定。 2、金屬的松弛曲線：在規(guī)

13、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。如圖所示 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r（以前用sh）。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re表示（以前用so） 。,25,對(duì)于不同金屬材料或同種材料經(jīng)過不同的熱處理，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。 例如：20cr1mo1v1鋼廣泛應(yīng)用于氣輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)緊固件，經(jīng)過不同的熱處理工藝（正火、油淬回火）后的應(yīng)力松弛曲線（初始應(yīng)力0300mpa）如圖所示?？梢?，正火工藝的剩余應(yīng)力高

14、，說明其具有較好的應(yīng)力松弛穩(wěn)定性。,26,四、影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素 根據(jù)蠕變變形與斷裂機(jī)理可知，要提高蠕變極限，必須控制位錯(cuò)攀移的速率，要提高持久強(qiáng)度極限，必須控制晶界的滑動(dòng)。 也就是說要提高金屬材料的高溫力學(xué)性能，就應(yīng)控制晶內(nèi)及晶界的原子擴(kuò)散過程。這主要取決于合金的化學(xué)成分、冶煉工藝、熱處理工藝等因素。,27,（一）合金化學(xué)成分的影響 位錯(cuò)越過障礙所需的蠕變激活能越高的金屬，越難產(chǎn)生蠕變變形。 實(shí)驗(yàn)表明純金屬的蠕變激活能大約與其擴(kuò)散激活能接近，所以耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e(cuò)能低的金屬及合金。 可加入：熔點(diǎn)高的me ，含有能形成彌散相的me、能增加晶界

15、擴(kuò)散激活能的me（硼、稀土）。詳細(xì)如下,28,(1) 在基體中加入鉻、鉬、鎢、鈮等me形成單相固溶體，除產(chǎn)生固溶強(qiáng)化外，還因me使層錯(cuò)能降低，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)，且溶質(zhì)原子與溶劑原子的結(jié)合力較強(qiáng)，增大了擴(kuò)散激活能，從而提高蠕變極限。 (2) 加入能形成彌散相的me，彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)的滑移，是提高高溫強(qiáng)度的有效方法。彌散相粒子硬度越高，彌散度越大，穩(wěn)定性越高，則強(qiáng)化作用越好。 (3) 添加能增加晶界擴(kuò)散激活能的me，如硼、稀土等，既能阻礙晶界滑動(dòng)，又增大晶界裂紋面的表面能，對(duì)提高蠕變極限和持久強(qiáng)度極限有效。,29,（二）冶煉工藝的影響 冶煉時(shí)：盡量減少夾雜物和某些冶金缺陷。 各種耐熱鋼及高溫合金

16、對(duì)冶煉工藝的要求較高，由于鋼中的夾雜物和某些冶金缺陷會(huì)使材料的持久強(qiáng)度極限降低。 高溫合金對(duì)雜質(zhì)元素及氣體含量要求很嚴(yán)格，即使含量只有十萬分之一，當(dāng)其在晶界偏聚后，會(huì)導(dǎo)致晶界的嚴(yán)重弱化，使熱彈性降低。,30,（三）熱處理工藝的影響 不同鋼種其熱處理工藝不同。 例：珠光體耐熱鋼一般采用正火+高溫回火工藝，正火溫度較高，以促使碳化物充分溶于奧氏體中，回火溫度高于使用溫度100150，以提高使用溫度下的組織穩(wěn)定性。 采用形變熱處理改變晶界的形狀，形成鋸齒狀，并在晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界，則可使合金進(jìn)一步強(qiáng)化。,31,（四）晶粒度的影響 使用溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)晶粒鋼有較高的強(qiáng)度； 使用溫度高于等強(qiáng)溫

17、度時(shí)，粗晶粒鋼有較高的蠕變極限和持久強(qiáng)度極限，但晶粒太大會(huì)降低高溫下的塑性與韌性。隨合金成分及工作條件不同有一最佳晶粒度范圍； 晶粒度不均勻，會(huì)顯著降低其高溫性能，這是由于在大小晶粒交界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中形成裂紋。,32,8-4 其他高溫力學(xué)性能 一、高溫短時(shí)拉伸性能 （火箭、導(dǎo)彈發(fā)射） 瞬時(shí)高溫強(qiáng)度；熱塑性；蠕變不起決定作用時(shí)。 二、高溫硬度 工具材料（紅硬性），高溫軸承。 測(cè)高溫硬度的壓頭。,33,高溫力學(xué)性能與室溫力學(xué)性能的對(duì)比 高 溫 室 溫 性能特點(diǎn)： b=f(t, ) b=c, =c 蠕變，應(yīng)力松馳， 蠕變與疲勞的交互作用 變形機(jī)制： 不會(huì)產(chǎn)生孿晶；滑移 晶內(nèi)滑移和孿晶 晶界起主要作

18、用 晶界起阻礙作用 提高力學(xué)性能： 增大晶格阻力 細(xì)化晶粒 減少晶界面積（粗化晶粒） 提高位錯(cuò)密度 提高擴(kuò)散熱激活能 強(qiáng)化（合金化、第二相） 形成復(fù)雜、網(wǎng)狀的第二相,34,作業(yè) p170 1；2；6。 思考題 p170 3；4。,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,試樣7卡在夾頭8上，然后置于電爐6中加熱，試樣溫度用捆在試樣上的熱電偶5測(cè)定，爐溫用鉑電阻2控制，通過杠桿3和砝碼4對(duì)試樣加載，使之承受一定的拉應(yīng)力，試樣的伸長(zhǎng)量用安裝在爐外的引伸計(jì)1測(cè)量。,46,用于金屬材料、非金屬材料的拉伸蠕變、壓縮蠕變及持久強(qiáng)度試驗(yàn)。可以測(cè)量穩(wěn)態(tài)蠕變速率、蠕變極限、蠕變伸長(zhǎng)率、持久斷裂時(shí)間、持久強(qiáng)度極限、持久缺口敏感系數(shù)等力學(xué)性能指標(biāo)