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材料力学性能-第8章.pptx
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第八章
金属高温力学性能
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在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、化工炼油
设备以及航空发动机中,很多机件是长期在高温条件下运
转的。
1.温度对金属材料的力学性能影响很大。
2.在高温下载荷持续时间对力学性能也有很大影响。
高温下钢的抗拉强度随载荷持续时间的增长而降低。
试验表明,20钢在450℃时的短时抗拉强度320MPa
当试样承受225MPa的应力时,持续300h便断裂了
将应力降至115MPa左右,持续10000h也能使试样断裂
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高温短时加载:温度的升高会使材料强度下降、塑性提高
高温长时加载:不但强度要降低,而且塑性也会显著降低
,材料对缺口的敏感性明显增大,材料发生脆性断裂。
温度和时间的联合作用还影
响金属材料的断裂路径:
随着试验温度升高,金属的
断裂由常温下常见的穿晶断
裂过渡到沿晶断裂。
晶粒与晶界两者强度相等的温度称为
“等强温度” ,用TE表示。
晶界强度随温度
升高降低得快
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晶界强度对变形速
率的敏感性要比晶
粒的大得多
等强温度TE随变形
速率增加而升高
图8-1 变形速率对TE的影响
变形速率对TE的影响
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金属材料在高温下的力学性能,必须考虑温度与时间两
个因素。
约比温度:T/Tm (T为试验温度,Tm为金属熔点,都用
热力学温度(单位K)表示)。
当T/Tm 0.5时为“高”温;
当T/Tm ≤0.5时为“低”温。
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,力学性能的变化规律也相同。
阐述金属材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象
讨论蠕变变形和断裂的机理
介绍高温力学性能指标及影响因素
为正确选用高温金属材料和合理制定其热处理工艺提供
基础知识。
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主要内容
8.1 金属的蠕变现象
8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理
8.3 金属高温力学性能指标及其影响因素
8.1
金属的蠕变现象
对材料来说,
低温时承受一个应力产生一个对应的应变。
在高温,材料承受固定应力,其应变会逐渐增加。
蠕变:金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产
生塑性变形的现象。
蠕变断裂:由于蠕变变形而最后导致金属材料的断裂
蠕变在较低温度下也会产生,但只有当约比温度大
于0.3时才比较显著。
eg.碳钢温度超过300℃、合金钢温度超过400℃时,
就必须考虑蠕变的影响。
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金属的蠕变过程可用蠕变曲线(abcd)来描述
1. 减速蠕变阶段,ab段。开始
蠕变速度很大,随时间↑蠕变
速率↓,到b点蠕变速度达到
最小值。
2. 恒速蠕变阶段,bc段。蠕
变速度几乎保持不变,又称为
稳态蠕变阶段。一般所指的金
属蠕变速率,就是以这一阶段
的蠕变速率ε 表示的。
3. 加速蠕变阶段,cd段,随时
间↑ 蠕变速度↑ ,直至d点
产生蠕变断裂。
起始伸长率δq
温度
拉应力
图8-2 典型蠕变曲线
蠕变曲线上任一点的斜率,
表示该点的蠕变速度。
ε =dδ dτ
增加应力及温度,都会使蠕变速率上升
当应力较小或温度较低时,蠕变第二阶段持续时间较
长,甚至可能不产生第三阶段。
当应力较大或温度较高时,蠕变第二阶段便很短,甚至
完全消失,试样在很短时间内断裂。
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同一种材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同。
恒定温度
恒定应力
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对于在高温下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力
的机件(变形受约束),eg.高温管法兰接头的坚固螺栓,
用压紧配合固定于轴上的汽轮机叶轮等
该类机件可能随时间的延长,在总变形量不变的情况
下,弹性变形不断地转变为塑性变形,从而使工作应
力逐渐降低,以致失效。
这种在规定温度和初始应力条件下,金属材料中的应力
随时间增加而减小的现象称为应力松弛。
可将应力松弛现象看作是应力不断降低条件下的蠕变过
程,蠕变与应力松弛是既有区别又有联系的。
蠕变:金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象
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一、蠕变变形机理
8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理
在蠕变过程中,位错滑移仍是一种重要的变形机理。
在常温下,若滑移面上的位错运动受阻产生塞积,
滑移便不能继续进行,只有在更大的切应力作用
下,才能使位错重新运动和增殖。
机理:在高温下,位错可借助于外界提供的热激活
能和空位扩散来克服某些短程障碍,从而使变形不
断产生。
金属的蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散等机理进行的。
1. 位错滑移蠕变
图8-4 刃型位错攀移克服障碍的模型
a)越过固定位错与弥散质点在新滑移面上运动
b)与邻近滑移面上异号位错相消
c)形成小角度晶界 d)消失于大角度晶界
位错热激活的方式有多种,高温
下的热激活过程主要是刃型位错
的攀移。
塞积在某种障碍前的刃
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