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金属材料的高温强度 金属材料的高温强度 王印培 教授 内 容 金属材料在高温下的力学行为特点 蠕变 表征材料高温力学性能的强度指标 高温强度的影响因素 1.金属材料在高温下的力学行为特点 由于高温下原子扩散能力的增大，材料中空位数量的增多以及晶界滑移系的改变或增加，使得材料的高温强度与室温强度有很大的不同。 考虑材料的高温强度时，除了温度与力学这二个最基本的因素之外，还必须考虑时间及介质因素的影响。 在高温条件下材料的变形机制增多，易发生塑性变形，表现为强度降低，形变强化现象减弱，塑性变形增加。 强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加。 对于大多数碳钢、铬钼钢和奥氏体钢，强度极限随温度的变化大致上可分为三个阶段： 初始阶段、中间阶段和第三阶段。 在初始阶段温度较低，强度极限随着温度的升高而明显降低。 在中间阶段，强度极限随温度升高而缓慢下降。 在温度较高的第三阶段，强度极限急剧降低。 碳钢和某些低合金钢（如Cr-Mo钢、Cr-Mo-V钢）在中间阶段强度极限会出现一个升高的峰值，这是时效硬化所造成的。 峰值温度与材料的蓝脆温度相当。 碳钢和Cr-Mo钢的伸长率和断面收缩率随温度的变化也可分为三个阶段： 初始阶段、中间阶段和第三阶段。 在初始阶段，伸长率和断面收缩率随温度升高而逐渐下降； 中间阶段，伸长率和断面收缩率达到一个最低值，然后又开始回升； 到第三阶段，随着温度的升高，伸长率和断面收缩率明显升高。 在高温条件下，应变速度对材料的强度也有明显的影响。 应变速度越高，材料的强度也越高。 尽管室温下应变速度对强度也有影响，但在高温下这种影响要大得多。 由于应变速率的这种影响，为了使高温短时拉伸试验的结果能相互比较，其试验时间必须统一规定。 各国在试验标准中都对此作出了严格的要求 材料在高温条件下，承受不同的载荷，其断裂所需的时间也不同。 不但断裂所需的时间随着承受的应力增加而缩短，而且断裂的形式也会发生改变。 晶界强度与晶粒强度随温度增加而下降的趋势不同，在其交点对应温度TS（称为等强温度）以上，材料由穿晶断裂变为沿晶断裂。 形变速度愈低则TS愈低 小结 强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加。 力学行为及性能与加载持续时间密切相关 在高温下即使承受应力小于该温度下的屈服强度，随着承载时间的增加材料也会产生缓慢而连续的塑性变形，即材料将发生蠕变。 在高温下随承载时间的增加塑性会显著下降，材料的缺口敏感性增加，断裂往往呈脆断现象。 温度影响材料的微观断裂方式。 环境介质对材料的腐蚀作用随着温度的升高而加剧，从而影响材料的力学性能。 因此，材料的室温力学性能不能反映它在高温承载时的行为，必须进行专门的高温性能试验，才能确定材料的高温力学性能 而温度与时间是影响金属高温性能的重要因素，故研究金属高温力学行为必须研究温度、应力和应变与时间的关系。 2. 蠕 变 金属在一定温度、一定应力（即使小于σs）作用下，随着时间的增加而缓慢连续产生塑性变形的现象称为蠕变。 蠕变在温度较低时也会发生，但只有在温度高于0.3Tf（熔点温度）时才比较明显。 引起材料蠕变的应力状态可以是简单的（例如单向拉伸、压缩、弯曲），也可能是复杂的；可以是静态的，也可能是动态的。 2.1蠕变曲线的定性分析 蠕变是材料力学性能之一，材料抗蠕变的能力是蠕变强度，用蠕变极限表示。 材料抗蠕变断裂的能力用持久强度表示。 蠕变极限与持久强度用试验测定，测定出的蠕变曲线可能是恒应力状态，也可能是恒温度状态曲线。 无论何种，典型的蠕变曲线都可以分为三个阶段， 不同金属材料在不同条件下得到的蠕变曲线是不同的 同一种金属材料蠕变曲线的形状也随应力和温度不同而不同 但一般而言，各种蠕变曲线差不多都保持着上述三个组成部分，只是各阶段持续时间长短不一 左图表示了温度不变时应力对蠕变曲线的影响， 右图表示了应力不变时温度对蠕变曲线的影响。 由图可见，应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段即稳定蠕变阶段延续很长。反之则第二阶段可能很短甚至消失。这时蠕变只有第一阶段和第三阶段，材料将在短时间内断裂。 蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑移方式进行。 蠕变初期由于攀移驱动力不足，因而滑移造成的形变强化效应超过攀移造成的回复软化效应，故变形速率不断降低。 蠕变初期可能在晶界台阶处或第二相质点附近形成裂纹核心，也可能由于晶界滑动在三晶粒交汇处受阻而形成裂纹核心。 蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移交替方式进行，晶界变形以晶界滑动和迁移交替方式进行。 晶内迁移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界迁移使金属软化，强化与软化作用达到动态平衡时，形变速率即保持稳定。 蠕变第二阶段在应力和空位流同时作用下，裂纹优先在与拉应力垂直的晶界上长大，形成楔形和