金属材料的高温力学性能 材料力学性能

第二相的集聚、长大、粗化
3. 细晶强化
高温时晶界强度↓晶界体积分数↑材料强度↓
晶界体积分数↑晶界扩散能力↑塑性变形能力↑ 材料强度↓
性能与载荷作用时间相关：
蠕变和应力松弛现象 断裂方式不同： 室温 1. 静载荷 高温
位错塞积 脆性解理
2. 循环载荷
蠕变 穿晶、沿晶
疲劳
环境影响：
穿晶
疲劳、蠕变 穿晶、沿晶混合
c）复杂组织变化
持续应力作用加速新相的形核与长大
固溶原子沿应力梯度定向移动，使第二相择优溶解或集聚
2）变形机制 a）位错滑移蠕变：与位错的滑移和攀移有关 b）晶界滑动蠕变：与晶界性质有关 c）空位扩散蠕变：高温低应力，位错无法运动条件下
a）位错滑移蠕变 变形硬化和软化共同作用形成蠕变三阶段 硬化：位错受到障碍阻滞 软化：位错借助热激活和空位扩散来克服障碍
反映材料在高温长时作用下的塑性性能 蠕变脆性：在短时试验塑性很高，高温长时加载后塑性 显著降低（有的仅1%）
持久塑性不能外推
2. 蠕变过程的组织变化、变形和断裂机制 1）组织变化 a）形变分布不均匀 第一阶段：亚晶形成；第二阶段：尺寸增加到一定大小后 基本不变；第三阶段：没有大的变化 b）发生再结晶现象 低温蠕变：完全不发生回复和再结晶 高温蠕变：同时进行回复和再结晶。再结晶不一定在回复 完成之后才开始。
10
500
5
= 80 MN/mm2
在一定温度下，在规定的时间内，恰好产生某一允许的总 T 变形量，其所对应的应力确定为蠕变极限，记为 t
例如： 1 10000 = 100MN/mm2
500
两种表示方法的比较：
适用于蠕变速率大而且服役时t
适用于服役时间长，蠕变速率小的情况
2）冶炼工艺
夹杂物，缺陷，气体含量 杂质元素（P、S、As、Sb、Pb、Bi）晶界偏聚 定向凝固：柱状晶沿受力方向生长，减小横向晶界 3）晶粒度
4）热处理工艺 珠光体耐热钢：正火加高温回火
正火使碳化物充分、均匀地溶于奥氏体
回火温度高于使用温度100~150℃，提高组织稳定性
奥氏体耐热钢：固溶处理加时效
Herring-Nabarro蠕变
空位沿晶界扩散
Coble蠕变 晶粒内部扩散蠕变示意图
空位移动方向 原子移动方向
蠕变变形机制总结 低温高应力
以位错滑移为主（回复难以发生）
高温高应力 位错滑移和攀移，晶界运动（回复得以进行） 高温低应力 扩散机制：包括晶界扩散和晶内扩散 低温低应力 以晶界扩散为主
d）蠕变极限的测定
外推法：通过较高应力下的短时间试验测定的蠕变极限来推 测较低应力下长时间蠕变的蠕变极限
温度相同－－外推同一温度下的蠕变极限 多个不同的较高应力－－保证外推的可靠性
应力和蠕变速率的既定关系－－外推的依据
A
n
A, n是材料常数
纯金属：n=4~5；固溶体：n=3；弥散强化合金：n=30~40
第八章 金属材料的高温力学性能
主要内容
1. 蠕变及其组织变化、变形和断裂机制 2. 应力松弛的现象、本质、稳定性
前
言
喷气发动机的工作温度在700℃左右
民用机接近1500℃，而军用机在2000℃左右。
航天器的局部工作温度可达2500℃。
高温：再结晶温度（0.4~0.5）Tm以上
高温力学性能特点
本章完
0

d EA
dt
0
1

n 1

1

n 1 0
n 1 AEt
剩余应力与初始应力σ0 、时间t以及材料常数n、A、E有关
金属材料的高温力学性能 小 结
一、金属的蠕变与持久
1. 蠕变、蠕变极限、持久强度 1）高温蠕变曲线及其测定 2）影响蠕变过程的参数
3）蠕变极限
材料强度随温度升高而降低： 1. 位错克服障碍的能力加强，形式也有变化 交滑移或攀移的方式越过障碍 2. 新的滑移系开动
Al出现{100}<100>和{211}<110>滑移系
3. 新的变形机制
晶界强度低于晶内强度并参与变形
常用强化手段的局限性： 1. 应变（形变）强化
被回复和再结晶过程消除
2. 沉淀强化
蠕变速率最小
Ⅲ：加速蠕变阶段 蠕变及蠕变速率曲线
2）影响蠕变过程的参数
温度和应力
3）蠕变极限
a）定义：在规定的温度和时间内，达到规定蠕变变形量或 蠕变速度时所能承受的最大应力。 b）意义和作用：表征对蠕变变形的抗力；选材依据
c）表示方法：
在规定温度下，当蠕变第二阶段的蠕变速率恰好等于某 T 一规定值时，对应的应力值为蠕变极限，记为 例如：
1）合金化学成分
基体元素： Ni、Co 熔点高，金属自扩散激活能大，自扩散慢 层错能低易形成扩展位错，难以产生割阶、交滑移和攀移 合金元素：Cr、Mo、W、Nb 形成单相固溶体，固溶强化 弥散相形成元素：Al、Ti、Nb 形成γ′、γ″有序相和碳化物 微量元素：B、稀土 增加晶界扩散激活能、阻碍晶界滑动
一定温度下经规定时间t后的剩余应力或残余应力热处理工艺对20cr1mo1v1钢应力松弛曲线的影响i1000正火700回火ii1000油淬700回火松弛稳定性的定量描述dtea时间t以及材料常数nae有关金属材料的高温力学性能蠕变蠕变极限持久强度1高温蠕变曲线及其测定2影响蠕变过程的参数3蠕变极限4持久强度与持久塑性蠕变过程的组织变化变形和断裂机制1组织变化2变形机制3断裂机制提高蠕变极限和持久强度的措施1合金化学成分2冶炼工艺3晶粒度4热处理工艺二应力松弛应力松弛现象松弛极限应力松弛本质弹性变形转化为塑性变形
d dt d e dt
d dt

d p dt
0
d dt
p

d e dt
1 d E dt
d dt
e
E

p
A
n

n
d EAdt
A
d e dt 1 d E dt
n
边界条件：t = 0时应力为σ0，时间为t时剩余应力为σ

t n
影响不大
高温氧化
※不能用常温力学性能衡量构件的高温力学性能
一、 金属的蠕变与持久
1. 蠕变、蠕变极限及持久强度 1）高温蠕变曲线及其测定
蠕变：金属在恒温、恒应力 作用下，随时间变化，缓慢 产生塑性变形的现象
金属拉伸蠕变实验方法
GB2039-80
蠕变速率

d dt
Ⅰ：减速蠕变阶段 Ⅱ：恒速蠕变或稳态蠕变阶段
应力和蠕变速率关系式取对数 lg lg A n lg

只能外推一个数量级：组织不稳定，第二相析出、长大或溶解
4）持久强度与持久塑性 a） 持久强度：在一定的温度和规定时间内，不发生蠕变断 T 裂的最大应力，记为 t
例如： 1 0 0 0 = 200 MPa
600
b）意义和作用：表征对蠕变断裂的抗力；选材依据 c）蠕变极限与持久强度比较 蠕变极限表征高温下材料的抗变形能力，持久强度则 表征材料的抗断裂能力
持久试验比蠕变试验简单
选材时标准的不同
d）持久强度测定
持久寿命：在给定的温度和应力下试样断裂的时间
应力与持久寿命的关系（外推依据） t A
lg t lg A B lg
B
lgt和lgσ并不真正符合线性关系；测出折点后再外推， 时间不超过一个数量级
e）持久塑性：
用试样断裂后的延伸率和断面收缩率来表示
应力松弛是应力不断降低的“多级” 蠕变
3. 应力松弛稳定性
松弛稳定性：抵抗应力松弛的能力 稳定性的表征：一定温度下经规定时间t后的剩余应力或残 余应力
热处理工艺对20Cr1Mo1V1 钢应力松弛曲线的影响
I－1000℃正火，700℃ 回火 II－1000℃油淬，700℃回火
松弛稳定性的定量描述
e p
3）断裂机制 a）等强温度
T<TE 穿晶断裂； T>TE 沿晶断裂
b）沿晶断裂机制
裂纹形成：楔形裂纹和空洞型裂纹 楔形裂纹：较高应力和较低温度，晶界交界处产生应力集中
1
空洞型：高温低应力下，晶界滑移造成
裂纹的扩展与断裂：
3. 提高蠕变极限和持久强度的措施
增加位错移动阻力、抑制晶界滑动和空位扩散
b）晶界滑动蠕变
晶界运动两种形式： 滑动：晶界两边的晶体沿界面相对错动 温度升高，晶粒度减小，滑动对变形贡献增大 移动：晶界沿法线方向运动 本身对变形贡献不大，但消除了晶界附近畸变，利于蠕 变进一步进行。
c）空位扩散蠕变 受力不同，空位平衡浓度不同 拉应力空位浓度增大； 压应力空位浓度降低；
空位在晶内做定向扩散
固溶处理得到合适晶粒尺寸，并改善强化相的分布 时效控制强化相的尺寸、数量、形态
形变热处理：改变晶界形状和形成晶内多边形化亚晶界
GH38、GH78
二、应力松弛
1. 应力松弛现象
已产生了一定变形的构件，其承受的应力随时间逐渐减小 的现象
松弛极限 r ：不再发生松弛的剩余应力
2. 应力松弛的本质 T 和总应变量ε不变，弹性变形转化为塑性变形，使应力σ 不断下降
4）持久强度与持久塑性
2. 蠕变过程的组织变化、变形和断裂机制 1）组织变化 2）变形机制 3）断裂机制
3. 提高蠕变极限和持久强度的措施 1）合金化学成分 2）冶炼工艺 3）晶粒度 4）热处理工艺
二、应力松弛
1. 应力松弛现象 松弛极限 2. 应力松弛本质 弹性变形转化为塑性变形；多级蠕变 3. 应力松弛稳定性 稳定性及其表征：剩余应力