金属材料的高温力学性能 材料力学性能
金属材料的高温力学性能
金属材料的高温力学性能金属材料是人类使用历史最长、应用最广泛的材料之一，它们具有优异的物理、化学、机械性能，被广泛应用于航空、航天、能源、交通等各个领域。
然而，金属材料在高温环境下的性能往往会发生改变，这是由于高温下金属原子的热振荡增强、晶格缺陷数量增加、化学反应加剧等因素所引起的。
因此，研究金属材料在高温下的力学性能至关重要。
一、高温下的材料微观结构演化高温下的金属材料，由于温度升高，原子热振荡幅度增大，晶体缺陷数量增多，导致材料的微观结构发生变化。
这些变化可能包括晶界迁移、堆垛错的生成或消除、晶体内部的位错增生等。
晶界是晶体中不同晶粒之间的界面，它们对材料的力学性质有重要影响。
在高温下，晶界可以通过晶界迁移的方式发生变化，导致晶界能量状态的变化。
此外，晶界周围的原子往往富集了一定的缺陷，如间隙位错和堆垛错，它们的运动和相互作用也会影响晶界的状态和材料的性能。
堆垛错是晶体内的一种结构缺陷，它由两个错排面的夹层形成，每个面上原子的相对位错是相同的。
在高温下，由于材料中原子的位移不断增加，堆垛错很容易形成或消除。
其运动和移动方式也会对材料的塑性和损伤机制产生影响。
位错是晶体中一种线性缺陷，它是原子排列不完整或存在错位引起的，具有一定的移动和滑移性质。
在高温下，位错的数量会增加，位错的移动会产生变形，从而影响材料的塑性和损伤行为。
二、高温下的材料力学性能高温下，金属材料的力学性能会发生变化，如强度、延展性、断裂韧性等性质均可能发生变化。
强度是指材料承受外力时的抗拉、抗压、抗弯等能力。
在高温下，金属材料的强度往往会降低，这是由于高温下原子位移的增加、晶界的变化、位错的运动等因素所致。
延展性是指材料在拉伸或压缩过程中发生形变的能力。
在高温下，金属材料的延展性往往会增加，因为高温下原子的位移增强，晶体缺陷的数量增多，使得位错滑移和塑性变形更容易发生。
断裂韧性是指材料在受到外力时发生裂纹扩展的能力。
在高温下，金属材料的断裂韧性往往会减小，因为高温下材料的位移增强，裂纹扩展较容易发生，从而导致断裂韧性的下降。
材料的高温力学性能 7.高温性能
100MPa
10000
蠕变试验装置
选用哪种表示方法，根据服役工况来确定。
蠕变极限测定方法
在同一温度下，选择 至少 4 种应力水平，测定 其蠕变曲线，并求出蠕变 速率。
在同一温度下，蠕变 速率与外加应力有如下关 系：
A n A、n －与材料及试验条件有关的常数
在双对数坐标中，上式为一条直线。利用线性回归法 求出 A 和 n ，再用内插法或外推法，即可求出规定蠕变速 率下的应力，即为蠕变极限。
高温力学性能与室温力学性能的对比
高温 性能特点：
σb=f(t, τ) 蠕变，应力松驰， 蠕变与疲劳的交互作用 变形机制：
不会产生孪晶；滑移 晶界起主要作用 提高力学性能：
增大晶格阻力 减少晶界面积 提高扩散热激活能 形成复杂、网状的第二相
室温 σb=C, σε=C
晶内滑移和孪晶 晶界起阻碍作用 细化晶粒 提高位错密度 强化（合金化、第二相）
3、松弛稳定性
1）应力松弛现象
材料在恒变形条件下随时间延长，弹性应力逐 渐降低的现象称为应力松弛。
2）应力松弛曲线
材料抵抗应力松弛的能力 称为松弛稳定性，可通过应力 松弛曲线评定。
松弛曲线可分为两个阶段： Ⅰ－应力急剧降低阶段； Ⅱ－应力缓慢降低阶段。
第Ⅰ阶段主要是蠕变中位错滑移和晶界滑移起主导作用； 而第Ⅱ阶段主要是扩散控制的位错攀移和畸变区扩散起主导 作用。前者较快、后者较慢。
温度升高，疲劳强度和持久强度均下降，但疲劳强度下降较缓 慢，所以存在一个交点 T0 ，当： • T＜T0 时，主要为疲劳破坏， σ-1 为主要设计指标； • T＞T0 时，主要为蠕变破坏，持久强度为之一设计指标。
高温疲劳的时间相关性
实验表明，
温度变化对金属材料力学性能的影响
温度变化对金属材料力学性能的影响引言：
金属材料广泛应用于各种工程领域，其力学性能在不同温度下的表现对工程应用的安全性和稳定性至关重要。
本文将讨论温度变化对金属材料力学性能的影响，并探讨其机理。
1. 热膨胀与热应变
温度升高或降低会导致金属材料的线膨胀系数增大或减小，热膨胀引起的热应变进而影响材料的力学性能。
热应变引起的应力变化可能导致材料的破坏，尤其在高温环境或剧烈温度变化的情况下。
2. 热导率与热冲击
金属材料的热导率随温度变化而改变，高温下热导率增大，低温下热导率减小。
温度变化引起的热冲击可能导致材料的变形、断裂甚至熔化。
因此，在设计工程结构时，需要合理考虑材料的热导率特性。
3. 材料相变
温度变化可能引起金属材料的相变，特别是在临界温度附近。
相变过程中伴随的体积变化会导致材料的应力分布发生改变，从而影响其力学性能。
此外，相变还可能导致金属材料的微观结构发生改变，并影响其塑性、强度和韧性等力学性能。
4. 热蠕变
高温下，金属材料会发生热蠕变现象，即在一定应力作用下，材料会发生时间依赖的塑性变形。
热蠕变的发生导致材料的力学性能发生变化，例如降低强度和刚度，增加延展性和塑性。
因此，在高温环境下使用金属材料时，热蠕变现象必须得到有效控制。
结论：
温度变化对金属材料的力学性能具有显著影响。
通过了解温度变化对热膨胀、热导率、相变和热蠕变等方面的影响机理，可以更好地采取措施来应对和优化金属材料在不同温度条件下的应用。
在工程设计和实际应用中，需要综合考虑温度变化对金属材料力学性能的影响，以确保工程结构的安全性和可靠性。
材料在高温下的力学性能(蠕变、松弛)
第7章 材料在高温下的力学性能7.1 材料在高温下力学性能的特点有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。
材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。
首先，材料在高温将发生蠕变现象。
即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。
这样，材料在高温下的强度便与载荷作用的时间有关了。
载荷作用的时间越长，引起一定变形速率(如)或变形量的形变抗力(蠕变极限)以及断裂抗力(持久强度)就越低。
粗略地说，发生蠕变现象的温度，对金属材料约为T>0.3-0.4TM ；(TM为材料的熔点以绝对温度K计)；对陶瓷约为T>0.4-0.5TM ；对高分子材料为T>Tg，Tg为玻璃化温度，多数高分子材料在室温下就发生蠕变。
由于蠕变的产生，我们就不能笼统地说材料在某一高温下其强度是多少，因为高温强度与时间这一因素有关。
而材料在常温下的强度是不考虑时间因素的。
除非试验时加载的应变速率非常高。
材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。
应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。
和蠕变现象相伴随的还有高温应力松驰。
一个紧固螺栓在高温长时间作用下，其初始预紧力逐渐下降，这种现象也是由蠕变造成的。
另外，蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降，为此，必须研究蠕变和疲劳的交互作用。
材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。
第一，材料在变形时首先总是引起形变强化，蠕变之所以能发生，必然还伴随着一个变形的软化过程，这个软化过程就是高温回复。
第二，蠕变的变形机制必然与在常温下的不同。
材料在常温下的变形可通过位错的滑动产生滑移和孪晶两种变形型式。
而在高温下位错还可通过攀移，使位错遇到障碍时作垂直于滑移面的运动，如图7-0所示。
这样位错便不会阻塞在障碍面前，而使得变形能继续下去，这就是一个变形的软化过程。
可以粗略地说，蠕变就是位错的滑移和攀移交替进行的结果。
温度对材料力学性能的影响与分析
温度对材料力学性能的影响与分析温度是一个重要的参数，对于材料的力学性能具有明显的影响。
在不同的温度下，材料的力学性能会发生变化，这对于工程设计和实际应用都具有重要意义。
本文将从材料强度、韧性和脆性等方面来探讨温度对材料力学性能的影响，并进行分析。
1. 温度对材料强度的影响温度对材料的强度有着显著的影响。
一般来说，随着温度的升高，材料的强度会降低。
这是因为温度升高会导致材料内部的晶界和晶体结构发生变化，原子或离子在结构中的位置发生扰动，导致材料的原子间结合力减弱。
此外，温度的升高也会加速材料的晶体生长和晶界扩散，从而影响晶体的完整性和晶界的强度。
因此，在高温环境下，材料的强度往往会显著下降。
以高温合金为例，高温合金是一种能够在高温环境下保持较高强度的特种合金。
然而，随着温度的升高，高温合金的强度会逐渐降低。
这是因为在高温下，高温合金中的合金元素会发生固溶度变化，使晶体内部的位错密度增加，从而导致合金材料的强度降低。
2. 温度对材料韧性的影响材料的韧性是指材料在受力作用下能够抵抗破坏的能力。
温度对材料的韧性同样也有显著的影响。
在一定温度范围内，材料的韧性随着温度的降低而提高。
这是由于低温下材料的晶格结构更加有序，原子之间的结合力增强，从而提高了材料的韧性。
同时，低温下材料的塑性变形能力较低，导致材料的断裂韧性增加。
然而，当温度继续降低到一定程度时，材料的韧性会受到严重影响。
这是因为在极低温度下，材料的脆性显著增加，材料容易发生脆性断裂。
这主要与温度引起的晶体结构的变化、位错运动的活跃性降低以及晶界的变化有关。
因此，在低温环境下，材料的韧性会显著下降。
3. 温度对材料脆性的影响脆性是指材料在受力作用下容易发生断裂的特性。
温度对材料的脆性具有重要影响。
一般来说，随着温度的升高，材料的脆性会减小，表现为更高的断裂韧度。
这是因为在高温下，材料内部的原子或离子运动更活跃，晶体结构的变化程度较大，能够吸收更多的能量，从而提高材料的韧性和抗断裂能力。
高温及环境下的材料力学性能
➢要提高陶瓷这两类热震破坏的能力，对材料性 能的要求相反，这是由于二者破坏过程不同、 判据不同引起的：
➢在热震断裂的情况下，强度低的材料裂纹易于 成核，裂纹一旦成核，材料会瞬时断裂，对抗 热震性不利。
➢在热震损伤的情况下，强度高的材料裂纹易于 扩展，对抗热震性不利；
➢所以前者应提高强度，后者应降低强度，才能 得到优良的抗热震性。
静载荷作用下 应力腐蚀断裂
环境断裂
氢脆断裂
延滞断裂 静载疲劳
交变载荷作用下
腐蚀疲劳
高温及环境下的材料力学性能
一、应力腐蚀
➢应力腐蚀（Stress Corrosion Cracking, SCC）－－金属在拉应
力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低 应力脆断现象。 ➢应力腐蚀的危险性在于它常发生在相当缓和的介质和不大的 应力状态下，往往事先没有明显的预兆，故常造成灾难性的事 故。
（1） 应力腐蚀产生条件及其特点
产生条件：应力、环境（介质） 和材料三者共存是产生应力腐 蚀的必要条件。
高温及环境下的材料力学性能
应力腐蚀的特点：
①造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服 强度，而且一般是拉伸应力(外加的或残余拉应力)；
②应力腐蚀造成脆性断裂破坏，没有明显塑性变形；
③对每一种金属或合金，只有在特定的介质中才会发 生应力腐蚀，即存在应力腐蚀开裂敏感的材料/环境 组合。
➢在规定温度下，使蠕变速率为零时的最大应力 －－物理蠕变极限，但其无实际意义（值很 小），工程上用的是条件蠕变极限。
高温及环境下的材料力学性能
条件蠕变极限的表示方法有两种：
(1) －－在规定温度（t）下，使试样产生规定的稳态蠕变 速率 的最大应力。
金属材料在高温下的力学性能
金属材料在高温下的力学性能随着科技的不断发展，高温下的金属材料应用越来越广泛。
在航天、能源等领域中，机器和设备都需要承受高温环境带来的极大影响。
因此，研究金属材料在高温下的力学性能至关重要。
本文将从金属材料的高温本质讲起，通过分析金属的结构、组成和变形规律等方面探讨金属在高温下的力学性能，以及解决这些问题的一些方法。
1. 高温环境对金属材料的影响首先，我们需要了解高温环境对金属材料的影响。
高温环境下，金属会受到温度、氧化等外部条件的影响产生变化。
一些金属会因为氧化，产生表面膜，从而影响其力学性能。
另一些金属则可以利用氧化程度较低的方法来保护金属表面。
但是，这些方法都不能完全避免在高温下金属表面的变化，因此，高温下金属材料的力学性能是一个值得研究的问题。
2. 金属材料在高温下的变形规律金属材料在高温下的变形规律实际上是由金属晶体的结构、组成和行为而决定的。
每个晶体需要经历一系列复杂的形变过程，在高温下，本身就带有热能，所以这些过程会变得更加复杂和困难。
随着温度的升高，这些晶体会经历多种形变之后，最终形成微观结构的变化和塑性形变。
这其中涉及到了很多的数学模型和科学方法，为了更好地探讨这些问题，需要发展出更加高效和精确的数学模型和科学方法。
3. 解决高温下金属材料的力学性能问题的方法针对金属材料在高温下的力学性能问题，科学家们进行了大量的研究。
解决这些问题的方法主要有以下几种：（1）利用结晶学的理论研究金属材料的微观结构和组成，从而更好地理解其形变和塑性形变过程，寻找最优化的处理方法，提高金属材料的强度和韧性。
（2）使用先进的计算机模拟方法，模拟金属材料在高温下的变形和变化过程，从而可以更加准确地预测和分析不同金属材料的力学性能。
（3）在工程中应用高强度、高韧性和高温抗性的金属合金材料，通过改变其组成和结构，优化其力学性能，提高其抗损耗性和耐蚀性。
（4）开展一些新的研究工作，寻找新的材料和技术，来解决金属材料在高温下的力学性能问题，包括超高温合金研究等。
高温合金的力学性能研究
高温合金的力学性能研究引言高温合金是一种在高温环境下具有良好力学性能的金属合金，广泛应用于航空航天和能源领域。
本文旨在探讨高温合金的力学性能研究，包括其力学性质、研究方法及应用。
一、高温合金的力学性质1. 抗拉强度和屈服强度高温合金的抗拉强度和屈服强度是评估其力学性能的重要指标。
通过材料力学试验，可以得到高温合金在不同温度下的抗拉强度和屈服强度曲线。
高温合金具有较高的抗拉强度和疲劳强度，适用于高温环境下的结构应用。
2. 韧性高温合金的韧性是指其在受力过程中的塑性变形能力。
韧性是衡量材料抗断裂能力的重要指标。
高温合金的韧性对于耐久性和安全性至关重要。
通过断裂韧性实验，可以评估高温合金的耐久性能。
3. 疲劳强度高温合金在高温环境下长时间受到交替载荷作用时，容易发生疲劳破坏。
研究高温合金的疲劳强度是预测其寿命的关键。
疲劳试验可以模拟实际工况下的循环载荷，用于评估高温合金的疲劳寿命。
二、高温合金力学性能研究方法1. 金相显微镜分析金相显微镜是一种常见的高温合金力学性能研究方法。
通过金相显微镜观察高温合金的显微组织，可以了解材料的晶粒尺寸、相分布情况以及可能存在的缺陷。
金相显微镜分析可以揭示材料的内部结构特征，为后续力学性能研究提供基础数据。
2. 力学性能试验力学性能试验是研究高温合金力学性能的重要手段。
包括抗拉、屈服、硬度、冲击等试验，通过测量材料在不同温度和应力条件下的力学性能参数，可以得到高温合金的力学性能曲线和高温下的强度指标。
3. 数值模拟数值模拟是一种常用的力学性能研究方法，可以通过计算机仿真模拟高温合金受力过程。
通过建立高温合金的数学力学模型，利用有限元分析等数值方法，可以预测材料的力学性能参数、破坏形态和失效机制。
三、高温合金力学性能的应用1. 航空航天领域高温合金在航空航天领域中应用广泛。
由于其良好的力学性能和高温抗氧化能力，高温合金常用于航空发动机涡轮叶片、燃烧室和喷嘴等部件，以提高发动机的性能和可靠性。
材料性能学课件第七章 材料的高温力学性能
蠕变极限，记作
T /t
，其中T表示测试温度，
ε/t 表示在给定的时间t内产生的蠕变应变为ε。
在蠕变时间短而蠕变速率又较大的情况下，
一般采用这种定义方法。
2．持久强度
某些在高温下工作的机件，蠕变变形很小或对 变形要求不严格，只要求机件在使用期内不发生断 裂。在这种情况下，要用持久强度作为评价材料、 设计机件的主要依据。
⑷ 粘弹性机理 高分子材料在恒定应力作用下，分子链由卷
曲状态逐渐伸展，发生蠕变变形，这是体系熵值 减小的过程。当外力减小或去除后，体系自发地 趋向熵值增大的状态，分子链由伸展状态向卷曲 状态回复，表现为高分子材料的蠕变回复特性。
2．蠕变断裂机理
蠕变断裂有两种情况： 一种情况是对于那些不含裂纹的高温机件，
低温下由空位扩散导致的这种断裂过程 十分缓慢，实际上观察不到断裂的发生。
金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为： 一是在断口附近产生塑性变形，有很多裂纹，使断 裂机件表面出现龟裂现象； 另一个特征是由于高温氧化，一层氧化膜所覆盖。
微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。
三、蠕变性能指标
蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等 1．蠕变极限
在高应力高应变速率下，温度低时，金属材 料通常发生滑移引起的解理断裂或晶间断裂，这 属于一种脆性断裂方式，其断裂应变小。温度高 于韧脆转变温度时，断裂方式从脆性解理和晶间 断裂转变为韧性穿晶断裂。
在较低应力和较高温度下，通过在晶界 空位聚集形成空洞和空洞长大的方式发生晶 界蠕变断裂，这种断裂是由扩散控制的。
1. 蠕变变形机理 位错滑移、原子扩散和晶界滑动
高分子材料：分子 链段沿外力的舒展
⑴ 位错滑移蠕变机理
材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起 的。在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动 到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就不能 继续滑移，也就是只能产生一定的塑性变形。
金属高温力学性能
t
在规定温度(t)下，使试样在规定时间内产 生的稳态蠕变速率不超过规定值的最大应 力。
t
2、
在规定温度(t)下和规定的时间(τ)内，使试 样产生的蠕变总伸长率(δ)不超过规定值的 最大应力。
二、持久强度极限
定义：高温下载荷长期作用时材料对断裂 的抵抗能力。
表示方法：在一定温度下和规定的持续时 间内引起断裂的最大应力值。
扩散蠕变
这两种蠕变机制之间没有确切的划分界限。
1、位错滑移蠕变
外来热激活能，有利于加强位错的运动(滑 移、攀移、交滑移等)，克服短程障碍。∴ 材料发生塑性变形。 蠕变第一阶段，蠕变变形而产生形变硬化， 蠕变速率↓。也称为“减速蠕变阶段”。 第二阶段：动态回复(软化)，硬化与软化达 到平衡，蠕变速率为一常数。
松驰稳定性：材料抵抗应力松驰的性能。 应力松驰曲线：变形量衡定，加载的应力随时 间延长而降低的曲线。 评定指标：剩余应力(越高，松弛稳定性越好) 应力松弛是蠕变的结果。 剩余应力σsh：任一时间，试样上所保持的应 力。
松驰应力σso：初始应力与剩余应力之差。
四、影响金属高温力学性能的主要因素
加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断裂。
三、应力和温度对蠕变曲线的影响
应力较小，或温度较低时，第二阶段较长， 第三阶段很短；反之，第二阶段很短，很 快断裂。
8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理
一、蠕变变形机理
常温下的变形：滑移、孪生。
高温下的蠕变：滑移和攀移交替进行。
蠕变变形机制：两种
位错滑移蠕变
晶粒度适当加大；结构复杂的第二相，并形成网 状骨架； 减少低熔点夹杂物；晶内形成多边化的亚晶界(热 处理后)。
高温对金属材料力学性能的影响研究
高温对金属材料力学性能的影响研究引言金属材料广泛应用于各个领域，包括航空航天、能源、汽车制造和电子行业等。
然而，在一些极端环境下，例如高温条件下，金属材料的力学性能可能会受到影响。
高温对金属材料的力学性能的研究对于设计和使用金属结构的安全性和可靠性具有重要意义。
本文将探讨高温对金属材料力学性能的影响以及相关研究结果。
高温对金属材料的影响高温会对金属材料的力学性能产生多种影响。
首先，高温会导致金属材料的机械强度降低。
随着温度的升高，材料的原子和晶间距离增加，晶格缺陷数量增多，因此，原子间的结合力减弱，导致材料的强度和硬度下降。
其次，高温还会导致金属材料的塑性变形能力降低。
在高温下，金属材料的晶粒会开始生长，形成大尺寸和相对较少的晶界，这会导致材料的位错运动减慢，从而减少材料的塑性变形。
此外，高温还可能引起金属材料的蠕变，即在常载荷作用下长时间暴露于高温下，材料会逐渐发生塑性变形，导致材料的疲劳寿命缩短。
针对高温对金属材料力学性能的影响，研究人员进行了广泛的实验和数值模拟研究，以深入了解这些影响并提出相应的解决方案。
实验研究通过实验研究，研究人员可以评估金属材料在高温下的力学性能。
常见的实验方法包括高温拉伸、高温疲劳、高温蠕变实验等。
通过这些实验，研究人员可以获得金属材料在高温下的应力-应变曲线、变形行为和破坏机制等物理性质。
同时，通过实验研究，研究人员可以评估不同材料在高温下的耐热性能，找到合适的材料用于高温环境下的应用。
数值模拟研究除了实验研究外，数值模拟也是研究高温对金属材料力学性能的重要方法。
数值模拟可以模拟高温下金属材料的变形行为和破坏机制，同时也可以提前预测材料在高温条件下的性能。
一些常用的数值模拟方法包括有限元分析和分子动力学模拟等。
解决方案针对高温对金属材料力学性能的影响，在工程实践中，研究人员已经提出了一些解决方案。
首先，选择合适的材料非常重要。
在高温条件下，一些特殊合金和陶瓷材料通常具有较好的耐热性能，因此在设计金属结构时可以考虑使用这些材料。
金属材料在高温下性能的变化
金属材料在高温下性能的变化
首先，高温条件下金属材料的晶体结构会发生变化。
随着温度的升高，金属晶体内的原子间距会增大，晶体结构会发生相变或熔化。
在高温下，
部分金属材料会呈现液态态，并且会形成液相晶界。
液相晶界的形成会引
起晶体的变形和损伤，降低材料的强度和韧性。
其次，高温条件下金属材料的微观缺陷会增多。
高温会导致金属材料
晶体内的晶格缺陷（如位错、空位、间隙等）数量增多，并且晶粒的形态
和尺寸也会发生改变。
这些缺陷会使材料易于发生塑性变形，导致材料的
强度和硬度下降。
此外，高温条件下金属材料的力学性能会发生变化。
高温会引起金属
材料的塑性和可变性增加，导致材料的延伸性、屈服强度和断裂韧性减少。
同时，高温还会降低金属的硬度和弹性模量。
另外，高温条件下金属材料的热性能也会发生变化。
在高温下，热膨
胀系数增大，导致材料容易发生热膨胀和热应力。
高温还会加剧材料的氧化、腐蚀和劣化等热氧化反应，降低材料的化学稳定性和耐腐蚀性。
最后，金属材料在高温下的变化还受到一些因素的影响，如气体环境、应力状态、冷却速率等。
不同的气体环境会对金属材料的氧化和腐蚀速率
产生重要影响，而不同的应力状态和冷却速率会影响金属材料的变形和相
变行为。
综上所述，金属材料在高温下的性能变化与材料的晶体结构、微观缺陷、力学性能、热性能和化学性质等因素密切相关。
了解金属材料在高温
条件下的性能变化规律，对于优化材料的设计和应用具有重要意义。
《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。
h
21
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
h
22
h
8
❖ 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。
h
14
（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：
h
20
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。
金属高温力学性能(最全版)PTT文档
（高应力、低温度）
σb=f(t, τ)
σb=C, σs=C
蠕蠕变变(， 与2应疲) 力劳裂松的纹驰交，互扩作用展
蠕变第一阶段，蠕变变形而产生形变硬化，蠕变速率↓。
1在）规减(定3速温)蠕度断变（阶裂t）段，，达开到始沿规大定界，的逐断持渐续减裂时速间，；（高τ）温氧化 2 蠕变机理，夹杂物
(1)位错运动 反之，第二阶段很短，很快断裂。
抵抗变形和断裂均的匀能力应。 力场）。
∴材料产生蠕变。
故对材料的高温性能有一定或特别的要求。
∴当晶粒减小，晶界滑动对蠕变的作用越大。
(3)晶界滑动
高温和应力的作用下，晶粒发生转动（即晶.2.3 蠕变断裂机理
“晶(粒1与)裂晶界纹的等萌强生温度”TE
8
8.3.3 剩余应力
材料抵抗应力松驰的性能 称为松驰稳定性。
应力松驰曲线
Via 变形量衡定，测试加载应力随 时间延长而降低的曲线。
任一时间，试样上所保持 的应力称为剩余应力σsh
初始应力与剩余应力之 差，称为松驰应力。σso
金属高温力学性能
§8.1 材料的高温性能
锅炉、汽轮机、发动机，飞船的外壳等，长期在 高温条件下工作。
故对材料的高温性能有一定或特别的要求。
8.1.1 常见的高温性能
(1)抗（高温）氧化性 (2)热强性 材料在高温、长时间和应力的作用下， 抵抗变形和断裂的能力。（包括：持久强度、蠕变强度 、高温疲劳强度、高温硬度等）
2
8.1.2 影响高温强度的因素
高温 σb = f (t，τ，v)
(1)温度t 温度的高低，是相对金属的熔点而
言。 故采用约比温度（试验温度/材料
熔点）“t/tm”描述温度的“高” 或“低”；
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能一、概述1、金属材料所受的载荷主要有：静载荷、冲击载荷、交变载荷2、金属材料的变形主要有：弹性变形（可恢复）、塑性变形（永久变形）3、弹性金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性。
4、弹性变形随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。
5、塑性金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能叫做塑性。
6、塑性变形在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。
7、刚性:金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。
二、力学性能1、强度定义：材料在外力（载荷）作用下抵抗变形和断裂的能力。
材料单位面积所受的载荷成为应力。
屈服强度R el：在拉伸过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不在增加而变形却继续增加或产生大应力值。
单位N/mm²（条件屈服强度σ0.2）有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。
为了衡量这些材料的屈服特性,规定产生永久残余变形等于一定值(一般为原长度的0.2%)时的应力,称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2抗拉强度R m：材料在拉断前承受大最大应力值。
2、塑性定义：材料断裂前产生永久变形的能力断后伸长率A断面收缩率Z3、硬度定义：材料抵抗其他硬物压入的能力。
硬度测试方法：A、布式硬度测定法（HBW）HBS——压头为钢球，用于测量<450HBS HBW——压头为硬质合金,用于测量>450HBW（<650HBW）特点：布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好。
由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般测HB450以下的材料；硬质合金可测HB450以上的材料。
由于压痕较大，不能进行成品检验。
通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。
B、洛氏硬度测定法(HRA、HRB HRC)特点：洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。
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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
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
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：
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 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d dt
Ⅰ：减速蠕变阶段 Ⅱ：恒速蠕变或稳态蠕变阶段
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
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
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间短的情况
T
T 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
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
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
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
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。
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
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
本章完
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
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
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
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