金属高温力学性能
高温合金的热压缩力学性能研究
高温合金的热压缩力学性能研究高温合金是一类具有良好的高温力学性能的金属材料，主要用于高温环境下的热力装备和航空发动机等领域。
热压缩力学性能是评价高温合金性能的重要指标之一，它影响着材料的耐高温蠕变、抗高温氧化、抗疲劳等性能。
本文将围绕着高温合金的热压缩力学性能展开研究。
首先，热压缩性能的研究是评价高温合金材料高温蠕变性能的重要内容。
高温蠕变是指在高温和恶劣环境下，金属材料所发生的塑性变形现象。
研究高温合金的热压缩性能可以了解材料在高温条件下的变形行为、变形机制以及变形速率等。
常用的热压缩试验方法有恒应力热压缩试验和恒应变热压缩试验等。
在研究过程中，可以通过材料的蠕变曲线、蠕变速率曲线和蠕变活化能曲线等来评价其高温蠕变性能。
其次，热压缩性能的研究还可以揭示高温合金在高温条件下的抗氧化性能。
高温环境中的氧化是高温合金的一个主要失效机制，会导致材料性能的降低和寿命的缩短。
研究高温合金的热压缩性能可以通过测量材料的氧化速率、氧化层厚度和氧化物的相组成等来评价其抗氧化性能。
此外，热压缩性能的研究还可以考虑材料中添加合适的合金元素来提高其抗氧化性能，如添加铝、铬和镍等元素。
最后，热压缩性能的研究也与高温合金的抗疲劳性能有关。
高温合金在高温环境中存在应力作用下的疲劳破坏现象，其疲劳寿命是评判材料抗疲劳性能的一个重要指标。
研究高温合金的热压缩性能可以通过测量材料在高温环境下的疲劳曲线和疲劳寿命等来评价其抗疲劳性能。
同时，热压缩性能的研究还可以考虑不同热压缩工艺对高温合金抗疲劳性能的影响，如不同热压缩温度、应力和变形速率等条件下的疲劳行为。
综上所述，高温合金的热压缩力学性能研究在评价材料的高温蠕变性能、抗氧化性能和抗疲劳性能等方面具有重要意义。
通过深入研究高温合金的热压缩性能，可以为材料的优化设计和应用提供科学依据，进一步提高高温合金的性能和寿命。
因此，对高温合金的热压缩力学性能进行探索和研究具有重要的实际意义。
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。
高温合金钢的应变率效应对力学性能的影响
高温合金钢的应变率效应对力学性能的影响高温合金钢是一种具有良好高温性能的金属材料，广泛应用于航空航天、能源、化工等领域。
在高温环境下，高温合金钢会经历复杂的变形过程，其中应变率是一个重要因素，它对其力学性能产生显著影响。
本文将探讨高温合金钢的应变率效应对其力学性能的影响。
首先，我们了解一下高温合金钢的力学性能。
在高温环境下，高温合金钢的强度、塑性、断裂韧性等力学性能都会发生变化。
这些性能的变化直接影响着材料在高温工况下的可靠性和耐久性。
应变率是指材料在受力过程中的变形速度。
材料的变形速度对其力学性能具有显著影响。
在高温环境下，应变率的变化会引起高温合金钢的力学性能产生不同程度的变化。
首先，应变率的提高会导致高温合金钢的强度提高。
应变率的增加使得材料中的位错运动加剧，这会导致晶粒的滑移和塑性形变增多，从而提高了材料的强度。
此外，应变率的提高还会引起晶界和位错运动的增强，增加了材料的阻力，从而进一步提高了材料的强度。
其次，应变率的增大也会导致高温合金钢的塑性降低。
应变率的增加导致晶粒间滑移速率的增大，从而限制了晶粒的再结晶和再结晶晶粒的形成，这会降低材料的塑性。
此外，应变率的增大还会引起位错运动的增多和运动速度的加快，从而增加了位错的交互作用和相互阻碍，限制了材料的塑性变形。
然而，应变率的增大也带来了高温合金钢的断裂韧性的提高。
应变率的增加导致应力集中区域的增多，位错密度增大，这会提高晶界的强化效应，并增加晶粒边界的位错锁扣。
这些效应会抑制材料的裂纹扩展，提高了材料的断裂韧性。
除了以上的影响，应变率对高温合金钢的显微组织也具有重要影响。
在高温环境中，应变率的变化会引起高温合金钢晶界、小角晶界等显微结构的演变。
例如，应变率的增加会诱发晶界细化、晶界偏喜向高密度定向生长，这会进一步影响材料的力学性能。
总结起来，高温合金钢的应变率效应对其力学性能产生显著影响。
应变率的增大可以提高材料的强度和断裂韧性，但会降低塑性。
金属高温力学性能
对于不同金属材料或同种材料经过不同的热 处理;在相同试验温度和初始应力下;经规定时间后; 剩余应力越高;松弛稳定性越好
例如：20Cr1Mo1V1钢广泛应用于气轮机 燃 气轮机紧固件;经过不同的热处理工艺正火 油淬＋ 回火后的应力松弛曲线初始应力σ0＝300MPa如图 所示 可见;正火工艺的剩余应力高;说明其具有较好 的应力松弛稳定性
第八章 金属高温力学性能
在高压蒸汽锅炉 汽轮机 柴油机 航空发动机等 设备中;很多机件长期在高温下服役 对于这类机件 的材料;只考虑常温短时静载时的力学性能是不够 的
如化工设备中高温高压管道;虽然承受的应力 小于该工作温度下材料的屈服强度;但在长期使用 过程中会产生连续的塑性变形;即蠕变现象;使管径 逐步增大;甚至会导致管道破裂
16
三 断口特征
1 宏观特征 1 断口附近产生塑性变形;在变形区附近有很 多裂纹断裂机件表面出现龟裂现象； 2 由于高温氧化;断口表面被一层氧化膜所覆 盖 2 微观特征 冰糖状花样的沿晶断裂
17
§83 高温力学性能指标及其影响因素 一 蠕变极限 为了保证高温长时载荷作用下的机件不会产生 过量蠕变;要求金属材料具有一定的蠕变极限 1 定义 是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力 指标
7
同一材料的蠕变曲线随着温度高低及应力的 大小而有不同 如图所示
应力较小 温度较低时：蠕变的恒速蠕变阶段 持续时间长;甚至不出现加速蠕变阶段；
应力较大 温度较高时：蠕变恒速蠕变阶段持 续时间短;甚至消失;试样在短时间内断裂;主要为 加速蠕变
8
应力松弛 由于金属在长时高温载荷下会产生蠕变现象; 对于在高温下工作 依靠原始弹性变形获得工作应 力的机件;如高温管道内用的螺栓等;随时间的延长; 在总变形量不变的前提下;弹性变形变为塑性变形; 从而使工作应力降低;导致失效
高温下钢材力学性能的分析与计算
高温下钢材力学性能的分析与计算一、引言随着经济的快速发展和产业结构的调整，钢材作为一种重要的工业材料，扮演着重要的角色。
然而，在高温下，钢材的力学性能会发生很大的变化，这会影响到工程的安全和可靠性。
因此，钢材在高温下的力学性能分析和计算十分重要。
二、高温下钢材力学性能的变化钢材在高温下，其力学性能会发生很大的变化。
其中，最直观的是其强度和模量的变化。
在高温下，钢材的强度会不断下降，而模量则会不断增加。
同时，钢材的延展性和韧性也会随着温度的升高而下降。
除了这些基本的力学性能变化外，高温下的钢材还会发生很多复杂的变化。
例如，温度的升高会导致钢材的组织结构发生变化，从而影响到材料的各种力学性能。
同时，温度的升高也会促进钢材表面的氧化反应，进一步影响到其性能。
三、高温下钢材力学性能的分析方法为了分析钢材在高温下的力学性能，需要采用一系列的分析方法。
其中，最常用的方法是有限元法。
有限元法是一种基于离散化的数值分析方法，可以用来模拟复杂的工程结构的力学行为。
在高温下，有限元法通常可以用来模拟钢材在不同温度下的强度、变形和疲劳性能。
另外，还有一些其他的分析方法可以用来研究高温下钢材的力学性能。
例如，动态力学分析方法可用于研究高温下的冲击和振动行为。
声学分析方法可用于研究钢材在高温下的声传播特性。
四、高温下钢材力学性能的计算方法除了分析方法外，还需要采用一些计算方法来计算钢材在高温下的力学性能。
其中，最常用的方法是基于热力学和热力学相图的计算方法。
这种方法可以用来计算钢材在不同温度下的相变和组织结构变化，从而进一步预测材料的力学性能。
另外，还有一些其他的计算方法可以用来研究高温下钢材的力学性能。
例如，基于分子动力学的计算方法可用于研究钢材微观结构的变化和演化。
计算流体力学方法可用于研究高温下的材料流动性质、能量传输和反应动力学等。
五、结论高温下钢材力学性能的分析和计算是非常重要的。
这种分析和计算可以帮助工程师和科学家更好地理解钢材在高温下的行为，并提出更加有效的安全措施。
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。
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。
高温合金材料力学性能分析
高温合金材料力学性能分析随着现代工业的不断发展，高温合金在航空、航天、能源、化工等行业中得到了广泛应用。
高温合金材料是指在高温下工作的钢铁、不锈钢、镍基合金等材料，对于这些材料的力学性能的分析是十分重要的。
一、高温合金材料的种类高温合金材料通常是由一种或几种种类的合金元素构成，主要以镍基合金、钨、钼、铬、铝、钛等多元合金为主。
1. 镍基合金镍是一种富有弹性和抗腐蚀的金属，而且很耐高温。
镍基合金的主体是镍，掺杂少量的铬、钛、铝等强化元素，可以使其具有更高的耐热能力、更优良的机械性能和更好的耐腐蚀性能。
2. 钨、钼合金这两种材料因为其高的熔点、高强度、高硬度，以及低的热膨胀系数和优秀的化学稳定性，被广泛应用于高温环境下的部件制造，如径向涡轮、涡轮叶片、气涡轮维护工具等。
3. 铬合金铬是一种非常耐腐蚀的金属，在高温下依然保持其抗氧化和耐腐蚀的性能。
所以铬合金适用于反应炉管壁、核反应堆管道、高温炉内的焊口等需要在高温和气体中工作的零件。
4. 铝、钛合金铝、钛合金是高温合金中应用最广泛的材料之一。
铝合金可以适用于超高温环境，钛合金则可以在超低和中高温条件下使用。
这种合金适用于飞机发动机喷气板、轴承等高温部件的制造。
二、高温合金材料的力学性能高温合金材料的力学性能主要包括抗拉强度、屈服强度、延伸率和断裂韧度。
其中，抗拉强度是指材料在拉伸时会承受多大的力，屈服强度是指在材料进入塑性区之前能承受的最大应力，延伸率是指拉伸时材料的变形量与原长度之比，断裂韧度则是指材料在撕裂破坏时的能量释放。
1. 抗拉强度高温合金材料的抗拉强度通常是由多种因素共同影响的，如组织结构、热处理过程、强化机制等。
其中镍基合金、钨钼合金和铬合金因其独特的结构和成分具有相对较高的抗拉强度。
2. 屈服强度屈服强度是指材料在一定温度下能够承受的最大拉应力。
高温合金材料的屈服强度往往受到一些因素的影响，如热处理工艺、化学成分、微观组织结构等。
在室温下，钨钼合金的屈服强度是非常高的，而镍基合金则是在那些需要高强度条件下使用的最常见的材料。
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。
8-高温条件下的力学性能-蠕变解析
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二、约比温度
温度的高低，是相对于材料的熔点而言的，一般用“约比温 度(T/Tm)”来描述；以绝对温度K计算。
一般，当T/Tm＞0.5时为高温，反之则为低温。 金属材料：T>0.3-0.4Tm； 陶瓷材料：T>0.4Tm； 高分子材料T>Tg ，Tg 玻璃化温度
0 引言
三、高温对材料力学性能的影响 1）发生蠕变现象 2）强度与载荷作用的时间有关：载荷作用时间越长，引起 变形的抗力越小。 3）材料在高温长时载荷下不仅强度降低，而且塑性也降低。 应变速率越低，作用时间越长，塑性降低越显著，甚 至出现 脆性断裂。 4）与蠕变现象相伴随的还有高温应力松弛
弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生回复， 称为蠕变回复，这是高分子材料的蠕变与其他材料的不同 之一。
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8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理
1.蠕变变形机理 主要有位错滑移、攀移、原子扩散和晶界滑动，对于高分 子材料还有分子链段沿外力的舒展。 (1) 位错滑移、攀移蠕变机理 在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产生塞积现象，滑 移便不能进行。 在高温下，由于温度的升高，给原子和空位提供了热激活 的可能，使得位错可以克服某些障碍得以运动，继续产生 塑性变形。
蠕变发展到第三阶段，由于裂
纹迅速扩展，蠕变速度加快。当
裂纹达到临界尺寸便产生蠕变断 裂。
(4) 粘弹性机理 高分子材料在恒定应力的作用下，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。
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8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理
图中，虚线--迁移前晶界,实线为迁移后晶界 A-B，B-C,及A-C晶界发生晶界滑移，晶界迁移，三晶 粒的交点由1移至2再移至3点。
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。
金属高温力学性能
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。
t /
总伸长量为1%
500℃
500 1/105
100MPa
100000h
29/37
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(考虑了变形量)。 持久强度极限：高温长期载荷下对断裂
的抗力(不考虑变形量)，指的是在给定温度t 下，达到规定的持续时间τ而不发生断裂的最 大应力，以MPa表示。
9/37
§8.1 金属的蠕变现象
一、蠕变现象 1、蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷
作用下缓慢地产生塑性变形的现象，称为蠕变。 约比温度T/Tm > 0.3时须考虑。
2、蠕变断裂：由蠕变而最后导致材料的 断裂。
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3、蠕变曲线
图8-2 典型蠕变曲线
蠕变速度： d d
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(1) 第一阶段：减速蠕变阶段
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82蠕变变形与蠕变断裂机制1637位错滑移蠕变变形时温度升高原子扩散加剧促进位错攀移引起动态回复形成亚晶导致位错运动阻力下降从而可以进一步蠕变变形动态回复起主要作用
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第八章 金属高温力学性能
历史背景： (1) 古代，人们发现悬挂的铅管自身伸长现
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(3) 第三阶段：加速蠕变阶段
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。
金属材料的高温力学性能与模拟
金属材料的高温力学性能与模拟随着人类工程技术的不断发展和进步，金属材料在现代工业上广泛应用。
然而，在高温环境下，金属材料的力学性能会发生改变，从而影响其使用寿命和性能。
因此，对金属材料在高温下的力学性能的研究变得愈加重要。
高温下金属材料的力学性能变化主要表现为塑性和断裂失效的改变。
例如，在高温下，材料的塑性变好，使其更容易变形和塑性加工。
但是材料的断裂韧性会减少，这意味着在相同的应力条件下，材料更容易断裂。
为了深入了解金属材料在高温下的力学性能变化，我们需要对金属材料的高温力学性能进行模拟和研究。
常用的高温材料力学性能模拟方法包括实验测试和计算模拟两种方法。
实验测试是一种直接测量金属材料在高温下的精确力学性能的方法。
这种方法需要使用高温实验设备和仪器来模拟高温环境，并测量材料的塑性变形、断裂韧性等力学性能指标。
实验测试的优点是可以提供准确的高温力学性能数据，但也有一些缺点，如实验耗时长、成本高等。
计算模拟是另一种研究金属材料在高温下力学性能的方法。
该方法使用计算机模拟软件来模拟材料内部的原子、晶格等微观结构，从而预测材料在高温下的塑性变形和断裂行为。
计算模拟通常采用分子动力学和有限元模拟两种方法。
其中，分子动力学模拟可以模拟材料内部原子之间的相互作用及其运动状态，并根据这些信息预测材料性能。
有限元模拟则是以宏观角度建立材料模型，通过模拟材料内部应力和应变的变化，对材料的力学性能进行预测和分析。
计算模拟的优点是可以预测金属材料在高温下的力学性能，避免了实验测定的缺陷，同时也节省了时间和成本。
但是，计算模拟也有其限制，例如需要较高的计算复杂度和对计算模型的准确性要求等。
在实际应用中，实验测试和计算模拟通常是相互配合的。
实验测试可以用来验证计算模拟结果的准确性，同时计算模拟的结果也可以指导实验测试方法的设计和优化。
对于金属材料在高温环境下的力学性能及其模拟的研究，有助于优化材料的使用和设计，从而提高材料的安全性和可靠性。
《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。
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21
二、持久强度极限
1、定义
在规定温度（t）下，达到规定的持续时间
（τ）而不发生断裂的最大应力。用 2、选取 对于设计某些在高温运转过程中不考虑变形 量大小，而只考虑在承受给定应力下使用寿命的
t
表示。
机件，一般选取持久强度。
如锅炉的过热蒸气管，持久强度极限是很重
1
对长期在高温条件下工作的金属机件，如果仅
考虑常温短时静载下的力学性能显然是不够的。因
为温度和作用时间对金属材料的力学性能影响很大。
1、温度的影响：一般随温度升高，金属材料
的强度降低而塑性增加。
2、载荷持续时间的影响：如果不考虑环境介
质的影响，则可认为材料的常温静载力学性能与载
荷持续时间关系不大。但在高温下，载荷持续时间
29
（三）热处理工艺的影响
不同钢种其热处理工艺不同。
例：珠光体耐热钢一般采用正火+高温回火工
艺，正火温度较高，以促使碳化物充分溶于奥氏体
中，回火温度高于使用温度100～150℃，以提高
使用温度下的组织稳定性。
采用形变热处理改变晶界的形状，形成锯齿状，
并在晶内形成多边化的亚晶界，则可使合金进一步
强化。
时。一般在高温下工作的机件所要求的寿命都设定
在蠕变第二阶段。
在蠕变第二阶段：动态回复（软化），硬化与
软化达到平衡，蠕变速率为一常数。
12
（二）扩散蠕变
这是在较高温度下的一种蠕变变形机理，约比 温度t/tm>0.5。 高温和应力的作用下，空位、原子的定向扩散 （不均匀应力场）。 ∴材料产生蠕变。
承受拉应力（A过不同的热
处理，在相同试验温度和初始应力下，经规定时间
后，剩余应力越高，松弛稳定性越好。
例如：20Cr1Mo1V1钢广泛应用于气轮机、燃 气轮机紧固件，经过不同的热处理工艺（正火、油 淬 ＋ 回 火 ） 后 的 应 力 松 弛 曲 线 （ 初 始 应 力 σ0 ＝ 300MPa）如图所示。可见，正火工艺的剩余应力 高，说明其具有较好的应力松弛稳定性。
试样产生的蠕变总伸长率（δ）不超过规定值的最
大应力。用符号
表示。 /
t
例如： 1500 5 100 MPa / 10 表示：材料在500℃温度下，10万小时，蠕变总伸 长率δ=1%的蠕变极限为100MPa。 3、选取
选用哪种表示方法，根据服役工况来确定。
若蠕变速率大而服役时间短，可取⑴表示方法。
第八章
金属高温力学性能
在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发
动机等设备中，很多机件长期在高温下服役。对
于这类机件的材料，只考虑常温短时静载时的力
学性能是不够的。
如化工设备中高温高压管道，虽然承受的应
力小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期
使用过程中会产生连续的塑性变形，即蠕变现象， 使管径逐步增大，甚至会导致管道破裂。
力较大、时间较短（数百小时）的试验数据，绘出
直线，通过外推法来求持久强度极限。如图所示
23
三、剩余应力 1、松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。 可通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。 2、金属的松弛曲线：在规定温度下，对试样施 加载荷，保持初始变形恒定，测定试样上的应力随 时间延长而降低的曲线。如图所示 3、剩余应力：应力松弛试验中任一时间试样上 所保持的应力，用σr（以前用σsh）。是评定金属材 料应力松弛稳定性的指标。 4、松弛应力：试样上所减少的应力，即初始应 力与剩余应力之差，用σre表示（以前用σso） 。
随试验温度的升高，金属的断裂由常温下常见
的穿晶断裂过渡到沿晶断裂。
原因：温度升高时，晶粒强度和晶界强度都降 低，（如图所示）但由于晶界上原子排列不规则， 扩散容易通过晶界进行，因此晶界强度下降较快。 等强温度 — 晶粒与晶界两者强度相等的温度。
用TE表示。
等强温度随变形速率的增加而升高。这是由于
晶界强度对变形速率的敏感性要比晶粒大得多。
31
§8-4
其他高温力学性能
一、高温短时拉伸性能 （火箭、导弹发射） 瞬时高温强度；热塑性；蠕变不起决定作用时。 二、高温硬度
后产生断裂。
7
同一材料的蠕变曲线随着温度高低及应力的
大小而有不同。如图所示
应力较小、温度较低时：蠕变的恒速蠕变阶
段持续时间长，甚至不出现加速蠕变阶段；
应力较大、温度较高时：蠕变恒速蠕变阶段
持续时间短，甚至消失，试样在短时间内断裂，
主要为加速蠕变。
8
◆应力松弛
由于金属在长时高温载荷下会产生蠕变现象，
互相连接形成楔形裂纹。如图所示
15
2、在晶界上由空洞形成晶界裂纹
这是较低应力和较高温度下产生的裂纹。
这种裂纹出现在晶界上突起的部位和细小的
第二相质点附近，由于晶界滑动产生空洞，这些
空洞长大并连接，就形成裂纹。如图所示
由于蠕变断裂主要在晶界上产生，所以晶界
的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小
和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。
位错越过障碍所需的蠕变激活能越高的金属，
越难产生蠕变变形。
实验表明纯金属的蠕变激活能大约与其扩散激
活能接近，所以耐热钢及合金的基体材料一般选用
熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。
可加入：熔点高的Me ，含有能形成弥散相的
Me、能增加晶界扩散激活能的Me（硼、稀土）。
详细如下
27
(1) 在基体中加入铬、钼、钨、铌等Me形成单
对力学性能有很大影响。
2
⑴σ< σs ，长期使用过程中，会产生蠕变 ，可
能最终导致断裂。
⑵随载荷持续时间的延长，高温下钢的Rm降低。
⑶在高温短时拉伸时，材料的塑性增加；但在
长时载荷作用下，金属材料的塑性却显著降低，缺
口敏感性增加，往往呈现脆性断裂。
⑷温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路
径。
3
3、等强温度
对于在高温下工作、依靠原始弹性变形获得工作应
力的机件，如高温管道内用的螺栓等，随时间的延 长，在总变形量不变的前提下，弹性变形变为塑性 变形，从而使工作应力降低，导致失效。 在温度及初始应力一定时，材料中的应力
随着时间的增加而减小的现象称为应力松弛。
可以看成应力不断降低条件下的蠕变过程。
注意：应力松弛与蠕变的区别
9
§8-2
蠕变变形与蠕变断裂机理
一、蠕变变形机理 金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散 等机理进行，与温度及应力的变化有关。 （一）位错滑移蠕变 常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞 积，滑移就不能进行，只有在更大的切应力作用下 位移重新运动和增殖。 高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和 空位扩散克服某些短程障碍，有利于加强位错的运 动（滑移、攀移、交滑移等），克服短程障碍。从 而产生塑性变形。
18
2、表达方式
(1) 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 不超过规定值时的最大应力，
用
t 表示 。
例如：
110 60 MPa
600
5
表示：在600℃，稳态蠕变速率 =1×10-5%/时的
蠕变极限为60MPa。
19
(2) 在规定温度（t）与试验时间（τ）内，使
10
高温下的热激活过程主要是刃型位错的攀移，
模型。如图所示
当塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在
新的滑移面上运动，或与异号位错相遇对消、或形
成亚晶界、或被晶界吸收。
当塞积群中某一位错被激活发生攀移时，位错
源便可能再次放出一个位错，从而形成动态回复过
程，蠕变得以不断发展。
11
在蠕变第一阶段：由于蠕变变形逐步产生应变 硬化，使位错源移动的阻力及位错滑移的阻力逐渐 增大，使得蠕变速率不断降低。也称为“减速蠕变 阶段”。 蠕变第一阶段是很短的，不超过几百小
16
三、断口特征
1、宏观特征
(1) 断口附近产生塑性变形，在变形区附近有
很多裂纹（断裂机件表面出现龟裂现象）；
(2) 由于高温氧化，断口表面被一层氧化膜所
覆盖。
2、微观特征
冰糖状花样的沿晶断裂。
17
§8-3
高温力学性能指标及其影响因素
一、蠕变极限 为了保证高温长时载荷作用下的机件不会产生 过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。 1、定义 是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力 指标。
反之，服役时间长，则取后一种表示方法。
20
4、测试
蠕变试验装置，如图所示。
具体试验时，在同一温度下要用4个以上的不
同应力进行蠕变试验，到规定的时间（数百至数 千小时）后停止； 根据实验结果绘出应力-稳态蠕变速率或应力总伸长率关系曲线；如图所示
再用内插法或外推法求蠕变极限。
注意：用外推法时，蠕变速率只能比最低试
右；此机理不是独立的机理，因晶界滑动要与晶
内滑移变形相配合，否则不能维持晶界的连续性，
导致晶界产生裂纹。
∴晶粒减小，晶界滑动对蠕变的作用越大。
14
二、蠕变断裂机理
实验表明，不同温度及应力条件下，晶界裂
纹的形成方式有两种：
1、在三晶粒交会处形成楔形裂纹
这是在高应力和低温下，由于晶界滑动在三
晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞
表面能，对提高蠕变极限和持久强度极限有效。
28
（二）冶炼工艺的影响
冶炼时：尽量减少夹杂物和某些冶金缺陷。
各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，
由于钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久
强度极限降低。
高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格，