金属材料的高温强度

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高温蠕变与低温蠕变
Graham和Walles提出第一及第二阶段公式，在较低温度和较小应力时，第一 阶段蠕变公式为：
0lnt
称为α蠕变或对数蠕变，也称为低温蠕变。
…………….（3）
当温度较高应力较低时，公式为：
0 t1/3
…………….（4）
称为β蠕变或高温蠕变，β是由应力和温度决定的常数。
BS3688 英国
JIS G0567 日本
DIN 50112 DIN 50118
德国
载荷 精度 <±1% <±1% <±1% <±0.5% <±1%
<±1%
ГОСТ9651 前苏联
<±1%
试验温度允差（℃）
波动
梯度
<600:±3
3
600~900：±4
4
>900~1200:±5
5
≤800：±5 >800~1000:±6
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2.2.3 温度与蠕变速度的关系
温度对蠕变有重要影响，进行蠕变试验时 必须精确测量与控制温度。随着温度升高， 蠕变速度增大。许多人提出过温度与恒速 蠕变的变形量或蠕变速度的关系式。
Mott式：
.
Aexp(Q/RT)
Dorn式： B[texp Q/(R)Tn]
Zener-Holloman式： Z eQ/RT
≤982：±3
3
>982:±6
6
引伸仪精度
T 0.2
:0.02%
0 T.01:每格 0.00m1m
0.00T1.2 %: 0.01%
ET 0.002%
≤800：±5 5
300~600：±3 >600~800：±4 >800~1000：±6
≤600：±3 >600~800：±4 >800~1000:±6 >1000~1100:±8
– 峰值温度与材料的蓝脆温度相当。
抗拉强度,MPa 屈服强度,MPa
700
20钢 600
15CrMo钢 500
400
300
18-8不锈钢
200
100
0
0
200
400
600
800
温度,℃
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400 350 300 250 200 150 100
50 0 0
15CrMo钢 20钢
18-8不锈钢
同时也要有一个明显的第三阶段，可以预示材料 的强度正在消失，断裂时有一定的塑性。
蠕变是一个包含许多过程的复杂现象。比起室温下的 力学性能来材料的蠕变性能对组织结构的变化更为敏 感。
所以蠕变曲线的形状往往随着材料的组织状态以及蠕 变过程中所发生的组织结构变化的不同而不相同。
例如在高温下会发生相变的某些合金（如Fe－20.5％W，Ni－ 25.5％Mo等），即使在承受拉伸载荷时，也会由于相变时的 体积变化而使试件收缩，形成所谓的“负蠕变现象”。
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2.3金属材料在蠕变中的组织变化
2.3.1晶体结构
晶体结构不同原子自 扩散能力也不同，蠕 变速度即随之发生变 化。纯铁在相同温度 下体心立方的扩散能 力大于面心立方，所 以低碳钢在温度超过 相变点时蠕变速度会 发生突变。
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也有人把蠕变第一阶段看成是较低温度下起主导作用的α 蠕变和较高温度的以β蠕变为主的蠕变的总和，合并式（3） 和式（4）可得表示蠕变曲线第一阶段的通式：
0 ln tt1/3…..（6）
对蠕变第三阶段的表达式，研究较少。虽曾 有人提出过一些关系式，但并没有普遍的意 义。一般认为蠕变的加速阶段没有共同的关 系式。
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内容
1. 金属材料在高温下的力学行为特点 2. 蠕变 3. 表征材料高温力学性能的强度指标 4. 高温强度的影响因素
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1.金属材料在高温下的力学行为特点
由于高温下原子扩散能力的增大，材料中空位数 量的增多以及晶界滑移系的改变或增加，使得材 料的高温强度与室温强度有很大的不同。
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
0.01mm
T 0.2
:0.01mm
4
0T.2:每格 0T.2 0:.00.0m 12mmm
T p
:
0.002mm
应变速度（加载速度）
屈服点或屈服强度前： ≤0.03l0/min（一般试验） ≤0.02l0/min（仲裁试验）
初始阶段、中间阶段和第三阶段。
在初始阶段温度较低，强度极限随着温度的升高而明显降低。 在中间阶段，强度极限随温度升高而缓慢下降。 在温度较高的第三阶段，强度极限急剧降低。
– 碳钢和某些低合金钢（如Cr-Mo钢、Cr-Mo-V钢）在中间阶段强 度极限会出现一个升高的峰值，这是时效硬化所造成的。
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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
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蠕变第三阶段在由第二阶段后开始连接的 楔形与孔洞形裂纹上进一步依靠晶界滑动、 空位扩散和孔洞连接而扩展，蠕变速度加 快，直至裂纹达到临界尺寸而断裂。
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一种理想的材料，要求它的蠕变曲线具有很小的 起始蠕变（蠕变第一阶段）和低的蠕变速度（蠕变第 二阶段），以便延长产生1％总变形量所需的时间。
而第二阶段的蠕变公式为：
பைடு நூலகம்
称为K蠕变。
0 Kt
……………………（5）
高温蠕变和低温蠕变并没有严格区分的温度界限，不过前者往往发生在原子 扩散速度比较大的情况下，一般以0.5 Tf作为界限，在此以上是高温蠕变，以 下是低温蠕变。
– 按这个温度区分时，低温蠕变也可能有回复现象发生，不过进行的不很 充分而已。
100 200 300 400 500 600 700 温度,℃
4
碳钢和Cr-Mo钢的伸长率和断面收缩率随温度的变 化也可分为三个阶段：
初始阶段、中间阶段和第三阶段。
在初始阶段，伸长率和断面收缩率随温度升高而逐渐下降； 中间阶段，伸长率和断面收缩率达到一个最低值，然后又开始回
升； 到第三阶段，随着温度的升高，伸长率和断面收缩率明显升高。
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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(1ect)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。
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2.2.2应力与蠕变速度的关系
研究应力与蠕变速度的关系时多采用恒速 蠕变阶段，因为设计时多以第二阶段蠕变 速度作为指标。这样可使研究简化，并有 明确的工程意义。
这方面的关系式主要有Garofalo和Finnie根 据他们的实验结果提出的应力－蠕变速度 关系式：
.
.
.
s B s B'exp( ) s B"(sinh)n
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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，
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2.2蠕变曲线的定量分析
关于蠕变曲线的表示方式，
有用蠕变过程中应变或应变速度与时间的关系来表 示，
有用应变或应变速度与温度的关系来表示， 还有用应变或应变速度与应力的关系来表示。
– 有些表达式可同时表达三个阶段的蠕变规律， – 有的只表示某阶段的蠕变规律。
不同的表示方式可获得不同的关系式，目前应用较 广的是应变或应变速度与时间的关系。
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蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑移方式 进行。
蠕变初期由于攀移驱动力不足，因而滑移造成 的形变强化效应超过攀移造成的回复软化效应， 故变形速率不断降低。
蠕变初期可能在晶界台阶处或第二相质点附近 形成裂纹核心，也可能由于晶界滑动在三晶粒 交汇处受阻而形成裂纹核心。
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蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀 移交替方式进行，晶界变形以晶界滑动和 迁移交替方式进行。
晶内迁移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移 和晶界迁移使金属软化，强化与软化作用达到 动态平衡时，形变速率即保持稳定。
蠕变第二阶段在应力和空位流同时作用下，裂 纹优先在与拉应力垂直的晶界上长大，形成楔 形和孔洞形裂纹。
应变速度越高，材料的强度也越高。
尽管室温下应变速度对强度也有影响，但在高温下这种影响要 大得多。
应力,MPa
450 400 350 300 250 200 150 100
50 0 0
ε=85%/min ε=10%/min ε=1.0%/min ε=0.1%/min
25℃
ε=85%/min ε=10%/min
考虑材料的高温强度时，除了温度与力学这二个最基 本的因素之外，还必须考虑时间及介质因素的影响。
在高温条件下材料的变形机制增多，易发生塑性 变形，表现为强度降低，形变强化现象减弱，塑 性变形增加。
强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加。
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对于大多数碳钢、铬钼钢和奥氏体钢，强度极限 随温度的变化大致上可分为三个阶段：
强度
晶界
穿晶断裂
晶粒
沿晶断裂
TTsK
温度
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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。
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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。
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2. 蠕 变
金属在一定温度、一定应力（即使小于σs） 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。
温度影响材料的微观断裂方式。
环境介质对材料的腐蚀作用随着温度的升高而加剧，从而影响材料 的力学性能。
因此，材料的室温力学性能不能反映它在高温承载时的行为， 必须进行专门的高温性能试验，才能确定材料的高温力学性 能
而温度与时间是影响金属高温性能的重要因素，故研究金属 高温力学行为必须研究温度、应力和应变与时间的关系。
屈服强度前： 0.1%~0.3%/min 屈服点前：（0.5±0.2）%/min 屈服点后：（5±1）%/min 屈服强度前： （0.1~0.3）%/min 屈服点或屈服强度附近： （0.1~0.5）%/min 屈服强度后：（0.5~1.0）%/min
屈服点前：<5MPa/s
（0.04~0.1）l0/min 不大于80MPa/min
伸长率,% 断面收缩率,%
60 50 40 30 20 10
0 0
20钢δ5 20钢δ10
15CrMo钢δ10
15CrMo钢δ5
100
200
300
400 温度50,0℃
600
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100 80 60 40 20 0 0
15CrMo钢
20钢
100
200
300
400
500
600
温度,℃
5
在高温条件下，应变速度对材料的强度也有明显 的影响。
ε=1.0%/min ε=0.1%/min
450℃
10
20
30
40
50
60
70
应变ε%
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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
项目 标准名称
YB941 中国
ISO R-783 国际
ASTM E21 美国