金属高温力学性能范例.ppt

* 第八章 金属高温力学性能 在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机等设备中，很多机件长期在高温下服役。对于这类机件的材料，只考虑常温短时静载时的力学性能是不够的。 高温 影响 蠕变 及其机理 高温力学性能指标 * 1、温度的影响：一般随温度升高，金属材料的强度降低而塑性增加。 2、载荷持续时间的影响： 在高温下，载荷持续时间对力学性能有很大影响。 例如：钢的σb随载荷持续时间↑而↓ * 温度和时间对断裂路径的影响 温度T↑，载荷t↑ ，断裂由穿晶断裂过渡到沿晶断裂。 变形速率对金属断裂路径的影响 变形速率↑，TE↑。 等强温度(TE)概念——晶粒与晶界两者强度相等的温度，称为等强温度。 TTE时，穿晶断裂。 TTE时，沿晶断裂。 * 当约比温度0.5时——高温状态。 当约比温度0.5时——低温状态。 意义：对于不同的金属材料，在同样的约比温度下，其蠕变行为相似，其力学性能变化规律也是相同的。 * §8－1 金属的蠕变现象 金属在长时间恒温、恒载荷（即使应力小于该温度下的屈服强度）作用下缓慢地产生塑性变形的现象。 蠕变在低温下也会产生，但只有当约比温度大于0.3时才比较显著。如碳钢超过300℃、合金钢超过400℃时就必须考虑蠕变的影响。 * 金属的蠕变过程 第一阶段：ab 减速蠕变阶段，又称过渡蠕变阶段。开始大，逐渐减速； 第二阶段：bc 恒速蠕变阶段，又称稳态蠕变阶段。速率几乎保持不变； 第三阶段：cd 加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断裂。 应力较小、温度较低时：蠕变的恒速蠕变阶段持续时间长，甚至不出现加速蠕变阶段； 应力较大、温度较高时：蠕变恒速蠕变阶段持续时间短，甚至消失，试样在短时间内断裂，主要为加速蠕变。 * 蠕变 应力松弛 在总变形量不变的前提下，弹性变形变为塑性变形，从而使工作应力降低，导致失效。 在温度及初始应力一定时，材料中的应力随着时间的增加而减小的现象称为应力松弛。 金属应力松弛曲线 * §8-2 蠕变变形与蠕变断裂机理 一、蠕变变形机理 金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散等机理进行，与温度及应力的变化有关。 （一）位错滑移蠕变 常温下： 位错的增殖与运动→产生塑性变形 →位错运动受阻→变形停止。 高温下： 外界提供热激活能，促进原子扩散 →位错持续运动→产生了蠕变变形。 （二）扩散蠕变 在更高温度（约比温度t/tm0.5，甚至接近于Tm时） →原子扩散进一步加剧 →较多数量的原子(空位)直接发生迁移性扩散 →扩散蠕变。 机制一：在三晶粒交会处形成楔形裂纹 高应力，较低温度下，晶界滑动在三晶粒交汇处受阻→应力集中→形成空洞→相互连接形成楔形裂纹→长大→引起断裂 楔形裂纹形成示意图 二、蠕变断裂机理 机制二：在晶界上由空洞形成晶界裂纹 较低应力，较高温度下 当晶界受垂直拉应力作用时，周围晶界或晶粒内部的空穴聚集于此晶界，形成空洞核心→空洞超过临界尺寸（r）而稳定存在→长大→引起断裂。 空洞位置：晶界上的凸起部位，细小的第二相质点附近，（晶界夹杂物） * §8-3 高温力学性能指标及其影响因素 一、蠕变极限 为了保证高温长时载荷作用下的机件不会产生过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。 是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。 1.在给定的温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力。 600℃ 1×10－5 ％/h 500℃ 100000h 总伸长为1% 2.在给定温度t和规定时间τ(小时)内，使试样产生规定蠕变变形量δ的最大应力。 蠕变极限的表示方法 持久强度极限 高温长期载荷下对断裂的抗力（不考虑变形量） 蠕变极限 高温长期载荷下对塑性变形的抗力（考虑了变形量） 二.持久强度极限 在给定温度t下，达到规定的持续时间τ而不发生断裂的最大应力，以MPa表示。 * 三、剩余应力 1、松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。可通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。 2、金属的松弛曲线：在规定温度下，对试样施加载荷，保持初始变形恒定，测定试样上的应力随时间延长而降低的曲线。 3、剩余应力：应力松弛试验中任一时间试样上所保持的应力，用σr（以前用σsh）。是评定金属材料应力松弛稳定