Chapter 8 金属高温力学性能

注意： 注意：金属间化合物高温强度的反常性
二、时间对金属材料力学性能的影响 高温下力学性能与载荷持续时间关系很大： 高温下力学性能与载荷持续时间关系很大： 例如：钢的σ 随载荷持续时间↑ 例如：钢的σb随载荷持续时间↑而↓ 。 故常温下研究时： 常温下研究时： 研究时 应力－ 应力－应变曲线 高温下研究时 研究时： 高温下研究时： 应力－应变+温度+ 应力－应变+温度+时间
持久强度极限 在给定温度t 达到规定的持续时间τ 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， MPa表示。 而不发生断裂的最大应力，以MPa表示。 表示
用σ τ 表示 :tσ700 1×103
＝30MPa，
表示该合金在700°C、 1000h的 持久强度极限为30MPa。
三、剩余应力 1、应力松弛定义 具有恒定总变形的试件中， 具有恒定总变形的试件中，随着时间的延 长自行减低应力的现象，称为应力松弛 应力松弛。 长自行减低应力的现象，称为应力松弛。 金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳 金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳 定性。 定性。 如何评价松弛稳定性? 如何评价松弛稳定性?
(1) 位错滑移蠕变 T≈Tm／2，又称高温蠕变 变形时，T↑→原子扩散加剧 原子扩散加剧→ 变形时，T↑→原子扩散加剧→位错攀移 引起动态回复（ 异号位错对相消， 引起动态回复 （ 异号位错对相消 ， 形成多边 形结构） → 形成亚晶 → 位错运动阻力下降 → 形结构 ） 形成亚晶→ 位错运动阻力下降→ 进一步蠕变变形。 进一步蠕变变形。 ——动态回复起主要作用 动态回复起主要作用
楔形裂纹形成示意图
机制二： 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， 较低应力 ， 较高温度下 ， 当晶界受垂直 拉应力作用时， 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 聚集于此晶界 ， 形成空洞核心 → 界尺寸（r）而稳定存在→长大→引起断裂。 界尺寸（ 而稳定存在→长大→引起断裂。 空洞位置： 晶界上的凸起部位， 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） 第二相质点附近，（晶界夹杂物）
σ
σ
t
ε
600℃ 600℃
600 1×10 5
= 80 MPa
1×10－5 ％/h
蠕变极限的表示方法二： 蠕变极限的表示方法二： 在给定温度t和规定时间τ(小时) τ(小时 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。 试样产生规定蠕变变形量δ的最大应力。
σ δ /τ
二、蠕变过程中变形与断裂机制 1、蠕变的变形机制 常温下： 常温下： 位错的增殖与运动→ 位错的增殖与运动→产生塑性变形 →位错运动受阻→变形停止。 位错运动受阻→变形停止。 高温下： 高温下： 外界提供热激活能， 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。 位错持续运动→产生了蠕变变形。
a）等强温度TE 等强温度T
b）变形速率对TE的影响 变形速率对T
温度和变形速率对金属断裂路径的影响 晶界强度对变形速度的敏感性比晶内 强度大，所以，变形速率↑ 强度大，所以，变形速率↑，TE↑。
四、高温下的蠕变现象与应力松弛现象 如何判断高温、低温： 1 如何判断高温、低温：
使用温度(K) 约比温度 = 合金熔点(K)
晶界滑动形成空洞示意图 a）晶界滑动与晶内滑移带交割 b）晶界上存在第二相质点
第三节 金属高温力学性能指标
一、蠕变极限 高温长期载荷作用下， 高温长期载荷作用下 ， 材料对塑性变 形的抗力指标——引入蠕变极限 引入蠕变极限 形的抗力指标
蠕变极限的表示方法一： 蠕变极限的表示方法一： 在给定的温度下， 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。 段产生规定稳态蠕变速率的最大应力。
三、温度和时间对断裂路径的影响 温度T↑ 载荷t↑ T↑， 温度T↑，载荷t↑ ，断裂由穿晶断裂过 渡到沿晶断裂。 渡到沿晶断裂。 原因：随温度T↑ T↑， 原因：随温度T↑，晶界强度下降速度快 于晶内强度的下降。 于晶内强度的下降。 **等强温度 等强温度(T 概念——晶粒与晶界两者强 ** 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。 度相等的温度，称为等强温度。 穿晶断裂。 T<TE时，穿晶断裂。 沿晶断裂。 T>TE时，沿晶断裂。
第八章 金属高温机械性能
第一节 概述
历史背景： 历史背景： 古代： 古代：悬挂的铅管自身伸长现象 1905年 ： 菲利普斯发表关于金属丝、 橡胶、 1905 年 菲利普斯发表关于金属丝 、 橡胶 、 玻璃在恒定拉应力作用下缓慢延伸的实验结果 1922年 1922年： 狄根逊提出:在相当长时间内承受应力时， 狄根逊提出:在相当长时间内承受应力时， 尤其是在高温下， 任何材料在低于σ 尤其是在高温下 ， 任何材料在低于 σb( 室温或 试验温度)时也会发生破坏——蠕变的研究 试验温度)时也会发生破坏 蠕变的研究
火箭发动机、汽轮机、 火箭发动机、汽轮机、石油化工机械等发展 ——高温(T)、长期(t) 高温(T) 高温(T)、长期(t) 一、温度对金属材料机械性能影响 1、通常金属的变形抗力随温度↑而↓： 通常金属的变形抗力随温度↑ T↑,σ、HB↓； 随 T↑,σ、HB↓；
2、原因： 原因： ——晶格阻力下降，原子活动能力提高 晶格阻力下降， 晶格阻力下降 (1)位错运动障碍↓； 位错运动障碍↓ 位错运动方式↑ 交滑移、攀移； (2)位错运动方式↑：交滑移、攀移； 存在回复、再结晶等软化机制； (3)存在回复、再结晶等软化机制； 存在晶界运动等形变机制。 (4)存在晶界运动等形变机制。
3、蠕变曲线 oa: 瞬时应变ε oa: 瞬时应变ε0（弹＋塑） abcd: 随时间延长而产生的应变ε abcd: 随时间延长而产生的应变ε：蠕变
典型蠕变曲线
dε 蠕变速度： ε = 蠕变速度： dt
第一阶段：减速蠕变阶段（过渡蠕变阶段） 第一阶段：减速蠕变阶段（过渡蠕变阶段） 原因： 原因：加工硬化占主体 第二阶段：恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段）， 第二阶段：恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段） 加工硬化＋回复等软化机制， 加工硬化＋回复等软化机制，相等 第三阶段： 第三阶段：加速蠕变阶段 t↑，蠕变速率↑ 直至蠕变断裂。 随t↑，蠕变速率↑，直至蠕变断裂。 ——裂纹的形成与扩展 裂纹的形成与扩展
四、影响金属高温力学性能的主要因素 1、基体金属与晶体结构的影响 通常熔点高，自扩散激活能大，层错能低的金 通常熔点高， 自扩散激活能大， 蠕变极限↑ 属，蠕变极限↑。——高温材料设计依据 高温材料设计依据 自扩散系数： bcc>fcc>hcp>金钢石型 自扩散系数： bcc>fcc>hcp>金钢石型 ——自扩散系数大，自扩散激活能小 自扩散系数大， 自扩散系数大 fcc的蠕变极限 故：——fcc的蠕变极限>bcc fcc的蠕变极限>bcc ——金钢石型的陶瓷材料具有优良的抗高温 金钢石型的陶瓷材料具有优良的抗高温 蠕变性能
同一材料的蠕变曲线随应力、温度而变。 同一材料的蠕变曲线随应力、温度而变。
σ4>σ3>σ2>σ1
t4>t3>t2>t1
应力和温度对蠕变曲线的影响 σ↑、t↑，蠕变断裂时间↓ （1）σ↑、t↑，蠕变断裂时间↓； σ↑、t↑，稳定蠕变阶段↓ （2）σ↑、t↑，稳定蠕变阶段↓；
应力或温度升高， 应力或温度升高，蠕变第二阶段缩短 蠕变过程中的矛盾： 蠕变过程中的矛盾： 强化 ← 加工硬化 回复、 软化 ← 回复、再结晶及其它扩散过程
当约比温度> 0.5时——高温状态。 高温状态。 当约比温度> 高温状态 当约比温度< 0.5时——低温状态。 当约比温度< 低温状态。 低温状态 不同的金属材料， 不同的金属材料， 在同样的约比温度 其蠕变行为相似， 下，其蠕变行为相似，力学性能的变化规 律也是相同的。 律也是相同的。
2 高温下的蠕变现象与应力松弛现象 蠕变现象： 蠕变现象：后叙 应力松弛：在规定温度和初始应力条件下， 应力松弛：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。 属材料中的应力随时间增加而减小的现象。
第二节 金属的蠕变现象
一、蠕变现象 蠕变概念： 1、蠕变概念： 金属在长时间的恒温、恒载荷作用下 即使σ<σ 缓慢地产生塑性变形的现象， （即使σ<σ0.2）缓慢地产生塑性变形的现象， 称为蠕变。 称为蠕变。 —— 约比温度T/Tm > 0.3时须考虑 约比温度T/Tm 碳钢加热T>300℃ 必须考虑蠕变。 T>300 碳钢加热T>300℃，必须考虑蠕变。 蠕变断裂： 2、蠕变断裂： 由蠕变而最后导致材料的断裂
t
500℃ 500℃
σ
500 1 / 105
= 100 MPa
100000h 100000h
总伸长为1 总伸长为1%
二、持久强度极限 蠕变极限 高温长期载荷下对塑性变形的抗力（ 高温长期载荷下对塑性变形的抗力 （ 考 虑了变形量） 虑了变形量） 持久强度极限 高温长期载荷下对断裂的抗力（ 高温长期载荷下对断裂的抗力 （ 不考虑 变形量） 变形量）
异号位错的合并； 异号位错的合并； 同号位错的规整化——形成回复亚晶， 形成回复亚晶， 同号位错的规整化 形成回复亚晶 ——多边形化 多边形化
(2) 扩散蠕变 在更高温度（ 在更高温度 （ 甚至接 近于T 近于Tm时） →原子扩散进一步加剧 较多数量的原子( 空位) → 较多数量的原子 ( 空位 ) 直接发生迁移性扩散 扩散蠕变。 →扩散蠕变。
2、溶质元素的影响 通常溶质元素或微量杂质原子， 通常溶质元素或微量杂质原子 ， 尤其是 高熔点、 高熔点 、 与基体金属原子尺寸相差较大的溶 质原子，可使蠕变极限提高。 质原子，可使蠕变极限提高。