工程材料力学性能第8章.ppt

* * * * * * 第八章 金属高温力学性能 金属高温力学性能 第一节 金属的蠕变现象 第二节 蠕变变形与蠕变断裂机理 第三节 金属高温力学性能指标及其影响 因素 概 述 1、温度对金属材料力学性能影响 2、高温下载荷持续时间对力学性能影响 高温下钢的抗拉强度随载荷持续时间的增长而降低。 20钢在450℃时短时抗拉强度320MPa，225MPa时，持续300h断裂；115MPa左右，持续10000h试样断裂。 在高温短时载荷作用，材料塑性增加，但高温长时载荷作用下，塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂现象。 温度和时间的联合作用还影响金属材料的断裂路径。 图8-1a表示试验温度对长时载荷作用下金属断裂路径的影响。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。这是因为温度升高时晶粒强度和晶界强度都要降低，但晶界强度下降较快所致。晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”，用TE表示。由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶粒的大得多，因此等强温度随变形速率增加而升高，如图8-1b所示。  图8-1 温度和变形速率对金属断裂路径的影响 a)等强温度 b)变形速率对 的影响 综上所述，金属材料在高温下的力学性能，不能只简单地用常温下短时拉伸的应力－应变曲线来评定，还必须考虑温度与时间两个因素。必须指出，这里所指的温度“高”或“低”是相对于该金属熔点而言的，故采用“约比温度(T／TE)”更为合理(T为试验温度， TE为金属熔点，都用热力学温度表示)。当T／TE 0.5时为“高”温；反之，则为“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，因而力学性能的变化规律也是相同的。  本章将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。  第一节 金属的蠕变现象 高温下金属力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。所谓蠕变，就是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。由于这种变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。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。如碳钢温度超过300℃、合金钢温度超过400℃时，就必须考虑蠕变的影响。  金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述。典型的蠕变曲线如图8-2所示。  图8-2 典型蠕变曲线 图中oa线段是试样在t温度下承受恒定拉应力σ时所产生的起始伸长率δq .如果应力超过金属在该温度下的屈服强度，则δq包括弹性伸长率和塑性伸长率两部分。这一应变还不算蠕变，而是由外载荷引起的一般变形过程。从a点开始随时间τ增长而产生的应变属于蠕变，abcd曲线即为蠕变曲线。  蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率( ). 按照蠕变速率的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段。  第一阶段ab是减速蠕变阶段(又称过渡蠕变阶段)。这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长蠕变速率逐渐减小，到b点蠕变速率达到最小值。  第二阶段bc是恒速蠕变阶段(又称稳态蠕变阶段)。这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变。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。 第三阶段cd是加速蠕变阶段。随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，至d点产生蠕变断裂。 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。在恒定温度下改变应力，或在恒定应力下改变温度，蠕变曲线的变化分别如图8-3 a、b所示。 由图见，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。相反，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。  图8-3 应力和温度对蠕变曲线的影响 a)恒定温度下改变应力( ) b)恒定应力下改变温度（ ） 由于金属在长时高温载荷作用下会产生蠕变，因此，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，就可能随时间的延长，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。可以将应力松弛现象看作是应力不断降低条件下的蠕变