金属材料的高温强度与强化
耐热钢的强化措施
耐热钢的强化措施
耐热钢通常是用于高温工作环境的特殊合金钢，其强化措施主要包括以下几个方面：
一、合金成分设计：耐热钢的基本成分中通常包含高比例的耐热合金元素，如铬、镍、钼、钨等。
这些元素能够提高钢的耐高温性能，抵抗氧化和腐蚀。
二、固溶处理：通过固溶处理，将合金元素溶解在基体中，形成均匀的溶液。
这有助于提高耐热钢的强度和硬度，同时改善其高温性能。
三、时效处理：时效处理可以通过控制温度和时间来进一步调整合金元素的分布，达到更好的强化效果。
时效处理通常在固溶处理后进行。
四、晶粒控制：通过控制热处理过程中的冷却速率，可以影响晶粒的尺寸。
较小的晶粒通常意味着更好的机械性能和高温稳定性。
五、表面处理：在耐热钢的表面进行热喷涂、热浸镀、涂层等处理，可以提高其抗氧化和抗腐蚀性能。
六、强化相的形成：通过合金元素的添加和热处理，有时可以在耐热钢中形成强化相，如碳化物、硫化物等，以提高硬度和强度。
七、降低碳含量：通常，耐热钢中的碳含量相对较低，以防止在高温下形成易脆的碳化物，从而提高耐热性。
这些强化措施的选择和实施通常取决于具体的合金成分、应用场景和所需的性能要求。
在实际应用中，制造商会根据具体的产品需求
采用合适的强化方法。
金属材料的高温强度
金属材料的高温强度高温强度是指材料在高温环境下的抗变形和抗破坏能力。
在高温条件下，金属材料容易发生晶粒长大、材料软化、塑性减小等现象，导致强度下降。
因此，提高金属材料的高温强度对于许多工业领域来说至关重要。
要提高金属材料的高温强度，可以通过合理的合金设计来实现。
将适当的合金元素添加到基础金属中，可以改变材料的晶体结构和相变温度，从而提高材料的高温强度。
例如，镍基合金中添加铬和钼等元素，可以增加晶粒的形核和生长难度，进而提高材料的高温强度和抗蠕变性能。
通过调整材料的热处理工艺，也可以显著提高金属材料的高温强度。
热处理是指将金属材料加热到一定温度，并在特定条件下进行冷却和时效处理的过程。
合理的热处理可以改变材料的组织结构，提高晶界的稳定性和晶粒的细化程度，从而提高材料的高温强度。
例如，通过快速冷却可以得到细小的晶粒和均匀的组织结构，从而提高材料的高温强度和耐蠕变性能。
表面涂层技术也是提高金属材料高温强度的重要手段之一。
通过在金属材料表面形成一层耐高温、抗氧化和耐腐蚀的涂层，可以有效地提高材料的高温强度和耐热性能。
例如，采用化学气相沉积技术在钢材表面形成一层氮化物涂层，可以显著提高钢材的高温强度和耐腐蚀性能。
纳米材料技术也可以用于提高金属材料的高温强度。
纳米材料具有良好的尺寸效应和界面效应，其晶粒尺寸通常在纳米尺度范围内。
由于晶粒尺寸的减小，纳米材料具有较高的晶界密度和晶界强化效应，从而具有优异的高温强度和抗蠕变性能。
例如，纳米晶钢材具有优异的高温强度和耐热性能，广泛应用于航空航天、能源和汽车等领域。
提高金属材料的高温强度是一个综合性的工程问题，需要从合金设计、热处理工艺、表面涂层技术和纳米材料技术等方面入手。
通过合理的材料设计和工艺控制，可以显著提高金属材料的高温强度和耐热性能，满足不同工业领域对高温材料的需求，推动相关领域的发展和进步。
合金高温强度低的原因
合金高温强度低的原因
合金在高温环境下强度降低的原因主要可以从以下几个方面进行分析：
1. 位错运动：
随着温度升高，金属材料中原子热振动加剧，位错运动的阻力减小。
这是因为高温下，位错受到的钉扎作用减弱（缺陷对位错的固定效应变差），同时弹性模量也随着温度的上升而减小，这导致派纳力（阻止位错滑移的力）下降，从而使材料的抗塑性变形能力下降，即强度降低。
2. 晶格结构变化与相变：
合金在高温下可能发生固溶体的分解、第二相粒子的析出或新的相变，如马氏体到奥氏体的转变等，这些都可能导致基体结构的变化，影响其力学性能。
例如，某些高温合金中的强化相在高温下可能会发生溶解，失去强化效果，从而降低合金的高温强度。
3. 扩散与蠕变：
在高温下，原子扩散速率显著加快，容易导致晶界滑动和空位聚集，进而促进蠕变现象的发生。
蠕变是指材料在恒定应力作用下，随时间延续发生的缓慢而永久的塑性变形，是高温下合金强度下降的重要原因之一。
4. 氧化与腐蚀：
在高温环境中，合金表面可能出现氧化或与其他气体反应生成脆性氧化膜，这种氧化膜的存在会削弱材料内部的结合力，造成表面裂纹萌生，从而降低材料的高温强度和韧性。
对于特定的GH2132高温合金而言，如果在热处理后硬度较低，可能是由于热处理工艺参数不当导致合金中碳化物或其他强化相未能充分析出或者均匀分布，或者是由于过度的晶粒长大，使得晶界强度下降，以及上述提到的位错运动阻力减小等因素综合作用的结果。
进一步分析需要具体查看相关的实验数据和金相组织观察结果。
金属材料的高温强度与强化
高温蠕变－晶界滑动
依靠晶界相对粘性滑动也产生蠕变 • 对于蠕变速率的贡献相对较小， • 起到协调晶粒之间的变形、防止裂 纹过早形成的作用
低温下，晶界强化 高温下，晶界成为弱区 中间温区－等强温度的概念
高温蠕变－预防措施
与原子扩散有关的过程导致蠕变，可以通过提高原子扩散激活 能来降低蠕变速率，具体措施有：第一，采用密排材料(如用 FCC结构材料替代BCC结构材料，如用Ni基合金替代铁基合 金)；第二加入较多的高熔点合金元素，如W、Mo等 扩散蠕变：可以通过提高晶粒尺寸来降低蠕变速率，尤其采用 单晶或定向凝固合金，可以完全避免扩散蠕变 位错机制的蠕变：主要是为位错运动设置有效的移动障碍—大 量采用有序第二相粒子强化(如高温合金中Ni3Al强化相，弥散 的稀土氧化物颗粒强化等)；添加降低层错能的合金元素(如 Co)，增大不全位错之间的距离，增大其交滑移时束集成全位 错的阻力
典型蠕变曲线
n一般在3~8之间， Q为蠕变激活能 蠕变激活能 QC与自扩散激活能QV相等
高温蠕变－规律性
持久试验与蠕变试验特征参量 持久强度：在给定温度(上脚标给 出的数值)下，蠕变断裂寿命达到 预定值(下脚标，一般以小时为单 位)所允许承受的最大应力
σ
700 1000
700C下持久断裂寿命为 1000小时的应力（最大值）
蠕变极限 — 指在给定温度(上脚标给出数值)下，稳态蠕变速率 为预定值(下脚标)时所允许承受的最大应力
700 σ 0.0001% / h
σ 1700/10000 h %
σ 1700/100 000 h %
高温蠕变－机理分析
蠕变，是发生在高温下、与时间相关的塑性变形过程 较高温度：热激活作用强，变形可能方式比低温下多 局部高能区、回复 基体原子自扩散显著 位错滑移外塑性变形机制 • 位错交滑移 • 位错攀移 • 原子扩散 • 晶界相对滑动
金属材料强化机制
金属材料强化机制金属材料在力学上有许多优异的性能，如强度、硬度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性等。
然而，这些性能并非所有金属都具备，因此需要通过强化机制来提高金属材料的性能。
强化机制主要有以下几种：一、细晶强化细晶强化是通过细化晶粒来提高金属材料的强度和韧性。
晶界是阻碍位错运动的重要因素，晶粒越细小，晶界就越多，阻碍位错运动的能力就越强，材料的强度和韧性就越好。
细晶强化是金属材料强化的一种重要手段，除了提高强度和韧性外，还可以提高材料的耐腐蚀性和高温性能。
二、固溶强化固溶强化是通过添加合金元素来提高金属材料的强度和硬度。
合金元素溶入基体金属中形成固溶体，这些元素会阻碍位错运动，从而提高材料的强度和硬度。
固溶强化在提高材料强度的同时，对材料的韧性影响较小，因此固溶强化材料通常具有较好的综合性能。
三、形变强化形变强化是通过塑性变形来提高金属材料的强度和硬度。
塑性变形会使位错密度增加，位错之间的相互作用增强，从而提高材料的强度和硬度。
形变强化可以提高材料的强度和硬度，但同时也会降低材料的韧性。
因此，形变强化需要在保证材料强度的同时，尽可能减小对材料韧性的影响。
四、相变强化相变强化是通过相变来提高金属材料的强度和硬度。
一些金属材料在相变过程中，会伴随着体积的变化和晶格结构的改变，这些变化会阻碍位错运动，从而提高材料的强度和硬度。
相变强化通常会伴随着材料质量的降低和韧性的下降，因此需要在保证材料强度的同时，尽可能减小对材料韧性的影响。
五、复合强化复合强化是通过结合两种或多种强化机制来提高金属材料的强度和韧性。
例如，可以将细晶强化和固溶强化结合起来，通过细化晶粒和添加合金元素来同时提高材料的强度和韧性。
复合强化可以充分发挥不同强化机制的优势，达到更好的强化效果。
总之，金属材料的强化机制有多种，可以根据不同的需求选择合适的强化方法。
细晶强化、固溶强化、形变强化、相变强化和复合强化是常用的强化方法，可以单独使用或组合使用。
热处理对金属材料的高温热疲劳性能的影响
热处理对金属材料的高温热疲劳性能的影响热处理是指通过加热和冷却等一系列工艺手段，使金属材料在结构和性能上发生改变的过程。
在热处理中，高温热疲劳性能是一个重要的参数，它决定了金属材料在高温环境下能否承受长期循环加载而不损坏。
本文将探讨热处理对金属材料高温热疲劳性能的影响，并介绍一些提高金属材料高温热疲劳性能的方法。
一、影响因素1.1 热处理温度热处理温度是影响金属材料高温热疲劳性能的重要因素之一。
通常来说，热处理温度越高，金属材料的强度和硬度会增加，但韧性会降低。
高温下金属材料容易发生相变或晶格缺陷的改变，从而影响了其高温热疲劳性能。
1.2 冷却速率在热处理中，冷却速率的选择也会对金属材料的高温热疲劳性能产生重要的影响。
快速冷却可以增加金属材料的强度，但可能会导致内部应力的积累，从而降低其高温热疲劳寿命。
相反，慢速冷却可以减少内部应力，有利于提高金属材料的高温热疲劳性能。
1.3 微观组织金属材料的微观组织也对其高温热疲劳性能产生显著的影响。
通过适当的热处理工艺，可以改变金属材料的晶粒尺寸、晶界和相分布等因素，从而提高其高温热疲劳寿命。
一般来说，细小均匀的晶粒和均匀分布的相对于粗大的晶粒和不均匀分布的相具有更好的高温热疲劳性能。
二、提高方法2.1 热处理工艺优化通过合理调整热处理温度和冷却速率，可以优化金属材料的高温热疲劳性能。
在热处理过程中，可以选择适当的加热温度和保温时间，以达到理想的组织结构。
此外，采用合适的保温介质和控制合适的冷却速率也是提高高温热疲劳性能的重要手段。
2.2 表面强化处理为了进一步提高金属材料的高温热疲劳性能，可以采用表面强化处理技术。
这些技术包括表面喷涂、渗碳、镀层等，可以在金属材料表面形成一层保护层，防止高温下的氧化和腐蚀，从而提高高温热疲劳寿命。
2.3 添加合金元素通过添加适量的合金元素，可以改善金属材料的高温热疲劳性能。
例如，添加一些强化元素如钼、钨、铌等可以增加金属材料的高温强度和耐疲劳性能。
提高金属材料强度的方法
提高金属材料强度的方法引言金属材料是工程领域中使用最广泛的材料之一，其强度是评价材料性能的重要指标。
提高金属材料的强度可以增加其承载能力，降低零部件的失效概率，提高工程结构的安全性。
本文将深入探讨提高金属材料强度的各种方法。
冶金方法精细晶粒化精细晶粒化是通过控制金属材料的结晶过程，使晶粒尺寸变小，从而提高材料的强度。
常用的方法包括： 1. 高温退火和快速冷却：通过高温退火使晶粒长大，然后通过快速冷却使晶粒尺寸减小。
2. 机械变形：通过冷加工或热加工使晶粒细化。
3. 添加合金元素：合金元素可以抑制晶粒生长，从而实现晶粒细化。
相变强化相变强化是通过控制金属材料的相变过程，使材料的强度得到提高。
常用的方法包括： 1. 固溶强化：通过添加合金元素使固溶体的晶格变形，从而增加材料的强度。
2. 相分解强化：通过控制相分解反应，使材料中形成细小的强化相，从而提高材料的强度。
加工方法冷加工冷加工是指在室温下对金属材料进行塑性变形的加工方法。
冷加工可以使材料的晶粒细化，提高材料的强度。
常用的冷加工方法包括： 1. 冷轧：将金属材料通过辊轧机进行塑性变形，使其厚度减小，晶粒变细。
2. 冷拔：将金属材料通过拉拔机进行拉伸变形，使其截面积减小，晶粒变细。
热加工热加工是指在高温下对金属材料进行塑性变形的加工方法。
热加工可以使材料的晶粒长大，提高材料的强度。
常用的热加工方法包括： 1. 热轧：将金属材料加热至较高温度，然后通过辊轧机进行塑性变形。
2. 热锻：将金属材料加热至较高温度，然后通过锻造机进行塑性变形。
表面处理方法渗碳处理渗碳处理是将含有碳的固体材料加热至高温，使其碳元素渗入金属表面，从而提高金属材料的强度。
渗碳处理常用于低碳钢的强化。
渗碳处理的步骤包括： 1. 预处理：将金属材料进行除油、除锈等表面处理。
2. 渗碳：将金属材料与含碳固体材料一起加热至高温，使碳元素渗入金属表面。
3. 淬火：将渗碳后的金属材料迅速冷却，使其形成马氏体结构，提高强度。
金属材料的四种强化方式
金属材料的四种强化方式一．细晶强化通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。
通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。
实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。
这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。
故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。
晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。
细化晶粒的方法1，增加过冷度；2，变质处理；3，振动与搅拌；4，对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。
二．固溶强化定义：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。
原理：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。
在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
影响因素（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。
（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
（4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。
金属材料强度与温度的关系
金属材料的高温强度
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2.2.1在给定温度或应力下蠕变与时间的关系
Bailey提出适用于第一阶段的公式
Atn
（1/3≤n＜1/2 ）
………（1）
Mevetly提出适用于第一及第二阶段的公式
B(1 ect ) Ft
………（2）
第二阶段为线性关系，上两式中的A、B、C、F均 为实验待定常数，ε为应变，t为时间。
9
金属材料的高温强度
2. 蠕
变
金属在一定温度、一定应力（即使小于ζs） 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。
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金属材料的高温强度
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，
T p : 0.002m m
金属材料的高温强度
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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
金属材料的高温强度
强度
晶界
晶粒 穿晶断裂 沿晶断裂 T TsK 温度
金属材料的高温强度
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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。
金属材料的高温强度
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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。
450℃
50 应变ε %
60
70
金属材料的高温强度
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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
载荷 精度 <±1% <±1% <±1% <±0.5% <±1% 试验温度允差（℃） 波动 <600:±3 600~900：±4 >900~1200:±5 ≤800：±5 >800~1000:±6 ≤982：±3 >982:±6 ≤800：±5 300~600：±3 >600~800：±4 >800~1000：±6 ≤600：±3 >600~800：±4 >800~1000:±6 >1000~1100:±8 仲裁试验时 ≤600：±3 >600~900:±5 >900~1200：±6 常规试验时，允许再 加2°波动 梯度 3 4 5
高温对金属材料性能影响实验
高温对金属材料性能影响实验摘要：本实验旨在研究高温对金属材料性能的影响。
通过将金属样本暴露在高温环境下，测定不同温度下金属材料的力学性能、热膨胀系数以及晶体结构的变化。
实验结果表明，高温对金属材料的强度、硬度和热膨胀系数都有显著影响。
1. 引言金属是常见的工程材料，广泛应用于航天、汽车、建筑等领域。
然而，在高温环境下，金属的性能可能会受到严重的影响。
因此，研究高温对金属材料性能的影响对于材料工程的发展至关重要。
2. 实验目的本实验的目的是通过将金属样本暴露在高温环境下，研究高温对金属材料性能的影响。
具体包括力学性能（如强度和硬度）、热膨胀系数以及晶体结构的变化。
3. 实验步骤和方法(1) 准备金属样本：选择常见的金属材料样本，如铜、铁、铝等，并根据需要切割成标准尺寸的试样。
(2) 预热金属样本：将金属样本放入恒温箱中，调节温度至所需高温条件，保持一定时间使样本均匀受热。
(3) 测定力学性能：使用万能试验机对金属样本进行拉伸试验，测量其抗拉强度、屈服强度和延伸率等力学性能指标。
(4) 测定硬度：使用洛氏硬度计或维氏硬度计，对金属样本进行硬度测试，测定其硬度值。
(5) 测定热膨胀系数：使用热膨胀系数测定仪测量金属样本在高温下的长度变化，计算出其热膨胀系数。
(6) 分析晶体结构变化：使用X射线衍射仪或扫描电子显微镜（SEM）观察金属样本的晶体结构变化，分析高温对晶体结构的影响。
4. 实验结果与讨论通过对不同金属样本进行高温处理后，得到以下实验结果：(1) 力学性能：金属样本在高温下的抗拉强度、屈服强度和延伸率均呈现不同程度的下降。
高温使金属材料的晶粒尺寸增大，晶界迁移，导致金属变得更加脆性。
(2) 硬度：高温对金属材料的硬度也有影响，一般情况下，高温下金属的硬度会降低。
(3) 热膨胀系数：金属材料的热膨胀系数是描述其在温度变化下体积或长度变化的重要指标。
实验结果表明，高温会使金属的热膨胀系数增大。
(4) 晶体结构变化：高温下，金属的晶体结构可能发生相变或晶粒长大，导致材料的物理性能发生变化。
进行高温时效处理
进行高温时效处理高温时效处理是一种常用的金属热处理方法，旨在增强材料的力学性能和耐腐蚀性能。
本文将从高温时效处理的原理、工艺、影响因素和应用领域等方面进行探讨。
一、高温时效处理的原理高温时效处理是通过在高温条件下加热金属材料一定时间，让其内部组织发生变化，达到一定的强度和韧性。
在高温下，材料中的晶体结构发生重排和再结晶，导致晶粒生长和相组织的转变。
这种物理和化学变化使材料的性能得到改善。
二、高温时效处理的工艺高温时效处理主要包括两个步骤：加热和保持时间。
首先，将金属材料放置在炉内，加热到一定的温度。
然后，保持一定的时间让材料内部的组织发生变化。
最后，缓慢冷却至室温。
三、高温时效处理的影响因素1. 温度：温度是影响高温时效处理效果的主要因素。
不同材料有不同的最佳处理温度。
温度过高可能导致晶粒长大过快，影响材料的韧性。
温度过低则可能无法达到预期的效果。
2. 时效时间：时效时间决定了材料内部组织的形成程度。
过短的时效时间可能无法得到理想的强化效果，而过长的时效时间可能导致材料的脆性增加。
3. 材料成分：不同材料的成分对高温时效处理效果有着很大的影响。
例如，合金中的合金元素会促使形成更稳定的相组织，从而提高材料的强度和韧性。
4. 加热速度：加热速度影响材料内部的相变和晶粒长大的速度。
过快的加热速度可能导致晶粒不均匀长大，影响材料的力学性能。
四、高温时效处理的应用领域高温时效处理广泛应用在航空航天、汽车、船舶、机械等工业领域。
其主要应用领域包括：1. 航空航天领域：飞机发动机、航天器结构件等需要具备高强度和耐腐蚀性的金属材料。
2. 汽车领域：发动机缸体、曲轴等承受高温和高应力的零部件。
3. 船舶领域：船体结构件、船用推进器等需要具备一定强度和耐蚀性的金属材料。
4. 机械领域：各种机械零件，如齿轮、轴承等。
五、高温时效处理的优缺点高温时效处理的优点在于可以显著提高材料的力学性能和耐腐蚀性能。
通过合理的处理工艺，可以得到理想的强化效果。
温度对金属材料强度的影响
温度对金属材料强度的影响引言：金属材料在各个工业领域中扮演着重要的角色，其强度是评估其性能的重要指标之一。
然而，温度对金属材料强度的影响是一个复杂而且关键的问题。
本文将探讨温度对金属材料强度的影响机制以及相关的实验研究。
一、热膨胀与热应力温度升高会引起金属材料的热膨胀，这是由于温度上升使得金属原子振动加剧，从而使晶格空间增大。
然而，不同金属材料的热膨胀系数并不相同，因此在高温下，由于热膨胀的差异，金属材料之间会产生热应力。
这种热应力可能导致金属材料的变形和破裂，从而降低其强度。
二、晶体结构的变化金属材料的强度与其晶体结构密切相关。
在高温下，金属材料的晶体结构可能发生变化，从而影响其强度。
例如，铁在高温下会发生相变，从面心立方结构变为体心立方结构，这会导致其强度下降。
此外，高温下还会发生晶体的再结晶现象，使得晶体界面的缺陷得到修复，从而提高了金属材料的强度。
三、晶界与位错运动金属材料中的晶界与位错对其强度也有重要影响。
在高温下，晶界的迁移速度增加，晶界的能量降低，从而使金属材料的强度下降。
此外，高温下位错的运动速度也会增加，从而导致金属材料的塑性增加，但同时也会减少其强度。
四、热蠕变热蠕变是指金属材料在高温下由于长时间受力而发生的塑性变形。
在高温下，金属材料的蠕变速率会显著增加，这是由于高温下原子的扩散速率增加，从而使得金属材料的强度下降。
热蠕变对金属材料的影响是一个长期的过程，但其结果是不可逆的，即使在恢复到室温下，金属材料的强度也无法完全恢复。
五、实验研究为了深入了解温度对金属材料强度的影响，许多实验研究已经进行。
其中一种常用的方法是热拉伸实验，通过在高温下对金属材料进行拉伸测试，可以得到其高温下的力学性能。
此外，还可以使用差热分析仪等仪器来研究金属材料的热膨胀行为。
这些实验研究为我们提供了理论模型的验证和实际工程应用的指导。
结论：温度对金属材料强度的影响是一个复杂而多变的问题，涉及到热膨胀、晶体结构的变化、晶界与位错运动以及热蠕变等多个方面。
简述金属材料的四种强化机制
简述金属材料的四种强化机制金属材料的强化机制是材料科学中重要的研究方向，在提高金属材料性能和使用寿命方面发挥着重要作用。
目前，已经有许多种金属材料强化机制，可以归纳为四种：增强断裂硬度机制、晶界界面机制、体积变形机制和宏观变形机制。
下面将对这四种机制进行详细介绍。
首先，增强断裂硬度机制是金属材料增韧的主要机制之一。
通过增强断裂硬度机制，可以使材料的断口断裂硬度达到更高的水平，从而增加材料的抗弯损伤能力。
增强断裂硬度机制的主要方法包括加强断口的低温组织处理、改变断口的冷变形水平以及高温析出处理。
其次，晶界界面机制也是金属材料增韧的重要机制之一。
它主要是通过改变体系中晶界强度和界面晶粒尺寸，从而改善晶界组织，降低晶界间交界强度，并减少材料的断口断裂硬度，从而达到增韧的目的。
改变体系中晶界界面机制的方法包括合金化、热处理、冷处理、电子束处理等。
第三，体积变形机制是金属材料增韧的主要机制之一，它的基本原理是通过改变金属材料的内部晶粒结构，使材料具有良好的抗压强度和抗弯强度，从而达到增韧的目的。
改变金属材料体积变形机制的方法可以分为晶粒细化、塑性变形和残余应力处理。
最后，宏观变形机制也是金属材料强化的重要机制之一。
通过宏观变形机制可以改变材料的晶粒结构，从而改善材料的力学性能，增强材料的抗弯强度和断裂硬度，从而达到增韧的目的。
改变金属材料宏观变形机制的常见方法有冷变形和热变形处理，以及压力处理、冲击处理和电渣处理等。
综上所述，金属材料的强化机制主要有四种，即增强断裂硬度机制、晶界界面机制、体积变形机制、宏观变形机制，通过使用这些机制可以提高金属材料的性能和使用寿命。
为此，科学家们需要继续研究这些机制，努力为社会提供更安全、可靠的金属材料。
金属材料强化机制是材料科学中重要的研究方向，在提高金属材料性能和使用寿命方面发挥着重要作用。
目前，主要有四种金属材料强化机制，即增强断裂硬度机制、晶界界面机制、体积变形机制和宏观变形机制。
高温合金的工作温度范围
高温合金的工作温度范围
高温合金的工作温度范围因类型而异。
变形高温合金的工作温度范围为-253～1320℃，具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能。
而固溶强化型合金的使用温度范围为900～1300℃，最高抗氧化温度达1320℃。
例如GH128合金，室温拉伸强度为850MPa、屈服强度为350MPa；1000℃拉伸强度为140MPa、延伸率为85%，1000℃、30MPa应力的持久寿命为200小时、延伸率40%。
镍基高温合金主要成分为Ni、Co、Cr、W、Mo、Re、Ru、Al、Ta、Ti等元素，基体为镍元素，含量在60%以上，主要工作温度段在950℃-1100℃，在此温度段内服役时，其有较高的强度，较强的抗氧化能力以及抗腐蚀能力。
此外，高温合金分为三类材料：760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料，抗拉强度800MPa。
或者说是在760--1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。
以上信息仅供参考，具体工作温度范围会受到多种因素影响，如有需求，建议查阅高温合金的规格书或者与相关从
业者沟通获取。
《工程材料物理性能(第2版)》 第08章 金属的高温力学性能
以σ t ζ表示。
例如：某高温合金σ600 1×10 3 =30Mpa，表 示该合金在700 ℃下，1000小时的持久 强度极限为30Mpa。
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第四节 其它高温力学性能 1.高温短时拉伸性能 2.高温硬度
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❖ 蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方式产生 变形。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速 度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增 大，晶格畸变不断增加，造成形变强化。在高 温下，位错虽可通过攀移形成亚晶而产生回复 软化，但位错攀移的驱动力来自晶格畸变能的 降低。在蠕变初期由于晶格畸变能较小，所以 回复软化过程不太明显。
近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象；
（2）由于高温氧化，断口往往被一层氧化膜 所覆盖。
4.蠕变断裂断口的微观特征： 主要为冰糖状花样的沿晶断裂形貌。
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（二）蠕变断裂机理
蠕变断裂主要是沿晶断裂。在裂纹成核 和扩展过程中，晶界滑动引起的应力集 中与空位的扩散起着重要作用。由于应 力和温度的不同，裂纹成核有两种类型。
以σ t ζ / δ表示。
如σ 600 1 / δ=10 5=100Mpa，表示材料在500 ℃温度下，105小时后总伸长率为1%的蠕 变极限为100Mpa。
试验时间及蠕变总伸长率的具体数值根 据机件后勤工作时间来规定的。
蠕变极限一般有两种表示方法：
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2.持久强度极限： 高温长时载荷下断裂的抗力。
1.蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷 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发 生，但只有当约比温度大于0.3时才比较 明显。
钢材在低温、中温、高温下,性能不同
3.3.1 温度不同用途的压力容器的工作温度不同。
钢材在低温、中温、高温下，性能不同。
高温下，钢材性能往往与作用时间有关。
介绍几种情况的影响:一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响1、高温下在温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。
2、低温下随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。
当温度低于20℃时，钢材可采用20℃时的许用应力。
韧脆性转变温度——（或脆性转变温度）当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。
这一温度常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。
图 3-3 温度对低碳钢力学性能的影响(图3-4 低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线)低温变脆的金属：具有体心立方晶格的金属如碳素钢和低合金钢。
低温仍有很高韧性的金属：面心立方晶格材料如铜、铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有高的韧性。
二、高温、长期静载下钢材性能蠕变现象：在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。
一定的应力作用下，碳素钢（>420度）合金钢(>400-500度)时发生蠕变。
蠕变的危害:蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。
因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。
1、蠕变曲线蠕变曲线三阶段：减速蠕变，恒速蠕变，加速蠕变。
oa线段——试样加载后的瞬时应变。
a点以后的线段——从a点开始随时间增长而产生的应变才属于蠕变。
蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。
ab为蠕变的第一阶段:即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长而逐渐降低，因此也称为蠕变的减速阶段。
bc为蠕变的第二阶段:图3-5 蠕变应变与时间的关系在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进行变形，故也称为蠕变的恒速阶段。
cd为蠕变的第三阶段:在这阶段里蠕变速度不断增加，直至断裂。
淬火效应的实验或典故
淬火效应的实验或典故引言：淬火效应，是金属材料加热至一定温度后迅速冷却，使其获得更高的硬度和强度的过程。
这一效应在金属加工领域中被广泛应用，但它的发现却源于一个偶然的实验或典故。
实验或典故：在古代，有一个名叫大禹的人，他被封为夏朝的第一位皇帝。
据《史记》记载，大禹曾经亲自带领工匠进行了一次关于淬火效应的实验。
大禹在实验中选择了一块普通的钢铁材料，并将其加热至百分之八九十的高温。
此时，他并没有立即将钢铁材料浸入水中进行淬火，而是让其自然冷却。
结果，这块钢铁材料没有发生任何变化，仍然保持着原本的硬度和强度。
大禹并没有就此放弃，他又进行了一次实验。
这次，他将钢铁材料加热至同样的高温，但这次，他立刻将其浸入冷水中进行淬火。
奇迹出现了，这块钢铁材料在淬火后变得异常坚硬，比之前更加耐磨。
大禹深思熟虑后得出结论，金属材料在高温下晶粒会长大，导致材料变得柔软，而通过快速冷却，晶粒尺寸被限制住，从而使金属材料变得更加致密，硬度和强度也得到了提升。
淬火效应的应用：淬火效应的实验结果启示了人们对金属材料的加工和强化的认识。
在现代的金属工业中，淬火效应被广泛应用于各种金属制品的生产过程中。
例如，刀具制造业就是一个很好的应用领域。
在制造刀具时，钢材经过加热处理后，通过淬火使其获得更高的硬度和强度，从而提高刀具的耐磨性和使用寿命。
汽车制造业也是淬火效应的重要应用领域之一。
发动机缸体、曲轴等关键零部件经过淬火后，可以提高其抗压性和耐磨性，确保汽车的安全和可靠性。
淬火效应还在航空航天、船舶制造、电子设备等领域中得到广泛应用。
通过淬火，金属材料的性能得到提升，使得这些领域的产品更加耐用、可靠。
结语：淬火效应的实验或典故为我们揭示了金属材料的加工和强化原理。
通过控制金属材料的加热和冷却过程，可以改变材料的结构和性能，从而获得更高的硬度和强度。
淬火效应的应用广泛而重要，不仅提升了金属制品的质量和性能，也推动了现代工业的进步与发展。
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材料的高温强度与强化的工程意义
一些金属材料在较高温度下使用，特别是在能源工业中的应用 重要应用场合： 各种热力管道(电厂、石化等)以及高温部件(发动机内部的涡 轮盘、叶片等各构件) 温度提高，使材料面对一些新的问题。如螺纹连接构成的紧 固，会因蠕变而造成紧固应力下降。长期在高温恒应力下工作 的材料构件会发生塑性变形、造成断裂，引发安全事故。 高温构件，在使用中需定期进行探伤检验、寿命评估及必要的 更换，才能保证材料安全使用 关键词： 蠕变：较高温度下恒定应力作用导致时间相关的塑性变形
纤维强化复合材料 强化相 基体 强度 主要承载体 传递与分散载荷 取决于纤维、 纤维及基体界面结合强度 与基体剪切强度
分散强化合金 阻碍位错运动 承受载荷 取决于位错与质点的交 互作用
-------为什么复合材料表现出与传统金属材料不同的力学行为？
纤维——载荷的主要支承 基体——起了传递与分散载荷到基体中去的媒介的作用 纤维强化复合材料强度——取决于纤维的强度、纤维与基 体界面的结合强度以及基体剪切强度等
高温蠕变－扩散蠕变
扩散蠕变的后果
实线为空位在晶内的扩散 虚线是原子的反向扩散
产生晶界上无第二相强化 质点的“纯净”区域——低 强度区，成为裂纹发源地
高温蠕变－自扩散扩散蠕变
N-H机制
& ε N-H
DV σΩ = 2 d kT
Coble机制
D BσΩδ & εC = 3 d kT
• 应力以一次方形式影响蠕变速率； • NH通过晶粒内部扩散，因此正比于晶内自扩散系数Dv • Coble通过晶界扩散，正比于晶界扩散系数DB • 晶粒直径d的影响 (其影响是通过扩散路径长度、空位体积密度梯度、以及在一定 的扩散通量下应变量的计算中引入) 降低蠕变速率、提高寿命: 高温下应用的材料, 应当晶粒粗大。 扩散蠕变的根本原因是晶体中各晶界相对于外应力取向不同， 造成了空位体积密度差。采用单晶消除晶界，或者使晶界平行 于外应力排列起来(定向凝固合金)，可从根本上避免扩散蠕变。 (目前最先进的波音飞机的发动机叶片为单晶合金材料)
高温蠕变－预防措施
对于晶界相对滑动，有弯 曲晶界的处理方法(前苏联 科学家首先应用于GH220 合金中) 通过各种强化手段，今天 使用温度最高的合金为 ODS(氧化物弥散强化)镍 基高温合金(superalloy)， 使用温度上限为1100ºC 蠕变第三阶段：孔洞等裂 纹导致断裂；氧化导致失 效；第二相粒子长大等导 致塑性变形抗力显著降低 蠕变第三阶段变化示 意图及照片
ε = ε 0 + βt
1
3
′ ε = ε 0 + γt
(3) 加速蠕变阶段，直到断裂，以时间来计算寿命tf
高温蠕变－规律性
蠕变特征参量 • 蠕变寿命 tf 与稳态蠕变速率之间相关性
& ε II ⋅ tf = C
• 稳态蠕变速率 应力、温度升高，稳态蠕变速率升高
& ε II = Aσ n exp⎜ − ⎛ Q⎞ ⎟ ⎝ kT ⎠
高温蠕变－位错攀移例
位错移动为主的蠕变，稳态蠕变速率的更一般表达式为
& ε = Aσ n ⋅ exp⎜ − ⎛ QV ⎞ ⎟ kT ⎠ ⎝
n=3~8，该规律称为Power-law-creep
位错机制下的蠕变：应力作用下，产生空位体积密度梯度，导 致扩散发生，使得受位错攀移控制的塑性变形过程不断进行 位错攀移自身可以直接导致材料发生塑 性变形，也可以是通过攀移，帮助滑移 中的位错摆脱其滑移面上的第二相质点 等障碍而继续前进来完成蠕变。这样， 在位错攀移速度v与蠕变速度之间存在着 一个比例关系
典型蠕变曲线
n一般在3~8之间， Q为蠕变激活能 蠕变激活能 QC与自扩散激活能QV相等
高温蠕变－规律性
持久试验与蠕变试验特征参量 持久强度：在给定温度(上脚标给 出的数值)下，蠕变断裂寿命达到 预定值(下脚标，一般以小时为单 位)所允许承受的最大应力
σ
700 1000
700C下持久断裂寿命为 1000小时的应力（最大值）
高温蠕变－原子的扩散蠕变
当温度比较高时，材料中原子的自扩散所导致的塑性变形也不 能忽略。下面分析自扩散产生的原因、与蠕变速率之间的关系
多晶体材料中晶界是空位的源和阱
承受单向拉应力作用的多晶体为例，其 中与拉应力垂直方向上的晶界，倾向于 被拉开，因此成为空位的高体积密度 区；与外应力轴方向接近平行的晶界 上，空位密度受外应力的影响很小。这 样，在相对于外应力取向不同的晶界部 位，空位的体积密度产生差别。受该体 积密度梯度的影响，晶体内会发生空位 的扩散。因此导致发生蠕变
高温蠕变－位错攀移例
位错的攀移(长度l和攀移距离y 均等于原子的直径，并以位错 Bergers矢量近似，而且认为 Bergers矢量的立方就是一个原 子的体积)。实际上就是周围晶 体中释放出一个空位，因此我 们可以将外应力在位错攀移过 程中所作的功，理解为帮助位 错周围晶体中形成一个空位， 这样空位的形成能比Qc减少了 空位体积密度的差别，必然导致扩散：空位由位错中心向外扩 散，反方向上出现自扩散 位错攀移通过原子扩散不断进行下去
纤维强化复合材料基本原理简介
Байду номын сангаас
纤维强化及复 合材料简述
纤维的突出特点 • 高强度 • 高比强度 • 高比模量 • 高柔韧性 原因 • 材质选择 • 缺陷减少
纤维强化及复合材料简述
利用纤维、质点 增强的复合材料 • 高强度 • 高比强度 • 高比模量 • 高韧性
典型材料例： • Al基复合材料使用上限温度可达400ºC • Ti基复合材料(航天－高强度、高刚度、高韧性) • 高分子基材料－玻璃钢，船体外壳、管道 • C纤维复合材料
材料强化机理对比
室温下位错滑移 －固溶强化（气团）；－加工硬化 －晶界强化；－第二相强化 高温时(高于0.3Tm) x 固溶强化－气团散 x 加工硬化－回复 x 晶界强化－晶界粘性滑动 ？第二相强化－长大？ 弹性模量变化——温度升高使弹性模量降低，导致强度下降 位错滑移的阻力降低——气团消失，动态回复等降低强度 尤其是原子扩散能力增强相 关的新塑性变形机理： 位错滑移＋（位错攀移、原子 扩散、晶界滑动）
高温蠕变－位错机制
承受应力尚未达到其屈服强度时，虽然整体不会发生塑性变 形，但是在一些晶粒中，会存在局部位错移动而发生塑性变形 (类似疲劳)。塑性变形造成位错增殖与塞积，局部加工硬化 常温下，在恒定应力塑性变形量增加造成的加工硬化，使得塑 性变形很快达到一个稳定值而停止下来 低应力、低温下的蠕变情况类似，最终不发生蠕变断裂的情况 较高温下，塑性变形产生的位错能通过各种机制(如交滑移、攀 移等)发生回复而降低，因此有硬化和软化两个过程 存在明显的位错回复机制，就会形成一种“变形－硬化－回复－ 软化－再变形”的循环过程，由此不断产生蠕变变形 材料构件承受恒定应力作用后不长的时间内，就会建立起这种 平衡，达到稳态蠕变阶段
高温蠕变－晶界滑动
依靠晶界相对粘性滑动也产生蠕变 • 对于蠕变速率的贡献相对较小， • 起到协调晶粒之间的变形、防止裂 纹过早形成的作用
低温下，晶界强化 高温下，晶界成为弱区 中间温区－等强温度的概念
高温蠕变－预防措施
与原子扩散有关的过程导致蠕变，可以通过提高原子扩散激活 能来降低蠕变速率，具体措施有：第一，采用密排材料(如用 FCC结构材料替代BCC结构材料，如用Ni基合金替代铁基合 金)；第二加入较多的高熔点合金元素，如W、Mo等 扩散蠕变：可以通过提高晶粒尺寸来降低蠕变速率，尤其采用 单晶或定向凝固合金，可以完全避免扩散蠕变 位错机制的蠕变：主要是为位错运动设置有效的移动障碍—大 量采用有序第二相粒子强化(如高温合金中Ni3Al强化相，弥散 的稀土氧化物颗粒强化等)；添加降低层错能的合金元素(如 Co)，增大不全位错之间的距离，增大其交滑移时束集成全位 错的阻力
纤维强化及复合材 料简述
复合材料的类型 • 纤维增强 • 质点增强
纤维强化及复合材料简述
复合材料分析的 简单模型
纤维强化及复合材料简述
复合材料分析的 简单模型
蠕变极限 — 指在给定温度(上脚标给出数值)下，稳态蠕变速率 为预定值(下脚标)时所允许承受的最大应力
700 σ 0.0001% / h
σ 1700/10000 h %
σ 1700/100 000 h %
高温蠕变－机理分析
蠕变，是发生在高温下、与时间相关的塑性变形过程 较高温度：热激活作用强，变形可能方式比低温下多 局部高能区、回复 基体原子自扩散显著 位错滑移外塑性变形机制 • 位错交滑移 • 位错攀移 • 原子扩散 • 晶界相对滑动
高温蠕变(creep)
蠕变：指约化温度(T/Tm)高于0.3时，材料在恒定应力的作用 下，会随着时间的延长而不断发生塑性变形的现象 通常用蠕变过程中材料构件或试 样的应变与时间的关系曲线表示 规律性－典型的三个阶段 (1) 减速蠕变 α蠕变、β蠕变 (2) 稳态蠕变 稳态蠕变速率
ε = ε 0 + α ln t