第八章 金属高温力学性能

温度对材料力学性能的影响
1. 材料在高温下将发生蠕变现象（材料在恒定应力的持续作用下不断地发 生变形）。 2. 材料在高温下的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（恒定应变下，材料内部的应力 随时间降低的现象）。
2. 扩散蠕变 发生在T/Tm > 0.5的情况下，是大量原子和 空位的定向移动的结果。 无外力作用下，原子和空位的移动无方向 性，材料无塑性变形。 有外力作用时，拉应力下的晶界产生空位，而 压应力作用下的晶界空位浓度小，因此空位由 拉应力 晶界向压应力晶界迁移，致使晶体产生 伸长的蠕变。 扩散途径：（1）空位沿晶内流动， Nabarro-herring 机 制 ； （ 2 ） 沿 晶 界 流 动 ， Coble机制。 扩散蠕变机理
σ τt
（MPa）表示。
如：某材料在700℃承受30MPa的应力作用，经1000h后断裂，则称这种材 料在700℃、1000h的持久强度为30MPa，写成 σ 700 3 =30MPa。
1×10
持久强度的测定 持久强度一般通过作持久试验测定，只要测定试样在给定温度和一定 应力作用下的断裂时间。 （1）对于设计寿命为数百至数千小时的机件，可以直接用同样时间的试验 来确定。 （2）对于设计寿命为数万以至数十万小时的机件，一般做出一些应力较大、 断裂时间较短的试验数据，画在 lgt-lgσ坐标图上，联成直线，用外推法 （时间不超过一个数量级）求出数万以至数十万小时的持久强度。 由持久强度试验，测量试样在断裂后的伸长率及断面收缩率，还能反 映出材料在高温下的持久塑性。
& 表示（其中 ε 为第II阶段蠕变速度，%/h）。 II %/h
限为600MPa。 2)
σ εt&（MPa）
例如： σ 1600 −5 = 600MPa 表示在600℃的条件下，蠕变速度为1×10-5 %/h的蠕变极 ×10 在给定温度T和在规定的试验时间（τ，小时） 内，使试样产生一定蠕变变 形量（δ，%）的应力值，以符号
剩余应力 金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性，可以通过应力松弛试 验测定的应力松弛曲线来评定。 剩余应力σr是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。
松弛应力
剩余应力
应力松弛曲线
应力松弛 零件或材料在总应变保持不变时，其中的应力随着时间延长而自行降 低的现象，叫做应力松弛。应力松弛可分为三个阶段： 1. 第I阶段：在开始阶段应力下降很快； 2. 第II阶段：应力下降逐渐减缓的阶段； 3. 松弛极限：在一定的初应力和温度下，不再继 续发生松弛的剩余应力； 其原因是由于随时间增长，一部分弹性变形转变为塑性变形，即弹性应变 不断减小，所以零件中的 应力相应地降低。应力松弛看作是应力不断降低时 的 “多级”蠕变。
材料的蠕变 材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会 缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变（Creep）。 由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。 材料的蠕变可在任何温度范围内发生，不过高温时，变形速度高，蠕 变现象更明显。陶瓷材料在室温一般不考虑蠕变；高分子材料在室温下就能 发生蠕变。
600 例如： σ 1/105 = 100MPa
σ δt τ
表示。
表示在600℃的条件下，10万小时后伸长率为1%的蠕变
极限为100MPa。
持久强度 材料在高温下的变形抗力与断裂抗力也是两种不同的性能指标。 对于高温材料除测定蠕变极限外，还必须测定其在高温长时载荷作用下抵抗 断裂的能力，即持久强度。 材料的持久强度，是在给定温度T下，恰好使材料经过规定的时间（t）发生 断裂的应力值，以
第八章 金属高温力学性能
主要内容
1、蠕变 2、高温力学性能指标
第一节 金属的蠕变
1. 比温度 2. 蠕变曲线 3. 蠕变机理 4. 蠕变断裂机理
约比温度
高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、化工炼油设备以及航空发动 机中的构件都是长期在高温 条件下工作的。 材料的高温力学性能不同于室温。
1）何谓高温？ 金属材料：T>0.3-0.4Tm；(Tm为材料的熔点，以绝对温度K计算) 陶瓷材料：T>0.4-0.5Tm； 高分子材料T>Tg （Tg为玻璃化转变温度）
4. 能增加晶界扩散激活能的添加元素(如硼及稀土)， 则既能阻碍晶界滑动， 又增大晶界裂纹的表面能。 5. 面心立方结构的材料比体心立方结构的高温强度大。
（二）冶炼工艺的影响 1. 降低夹杂物和冶金缺陷的含量； 2. 通过定向凝固工艺，减少横向晶界，提高持久强度，因为在横向晶界上 容易产生裂纹。
（三）热处理工艺的影响 1. 珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺。回火温度应高于使用温度 100~150℃以上，以提高其在使用温度下的组织稳定性。
应力松弛 在规定温度和初始应力条件下，金属材料的应力随时间增加而减小的现象 称为应力松弛。应力松弛是应力不断降低条件下的蠕变过程。
等温曲线（σ4 > σ3 > σ2 > σ1）
等应力曲线（T4 > T3 > T2 > T1）
应力和温度对蠕变曲线的影响
蠕变断裂机理
1. 楔形裂纹
楔形空洞的形成
2. 由空洞形成晶界裂纹（较低应力和较高温度）
2. 奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理和时效，使之得到适当的晶粒度， 并改善强化相的分布状态。 3. 采用形变热处理改变晶界形状(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。
（四）晶粒度的影响 1. 晶粒大小：当使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度；当使 用温度高于等强温度时，粗晶 粒钢及合金有较高的蠕变抗力与持久强 度。但是晶 粒太大会使持久塑性和冲击韧性降低。 2. 晶粒度不均匀：在大小晶粒交界处出现应力集中， 裂纹就易于在此产 生而引起过早的断裂。
3. 晶界滑动蠕变 高温下（T/Tm >0.5），晶界上的原子易扩散，受力后发生滑动，促进 蠕变； 多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界是低熔点氧化物聚集之处，易于形成 玻璃相。在温度较高时，晶界粘度迅速下降。外力导致晶界粘滞性流动， 发生蠕变。 晶界形变在高温时很显著，甚至能占总蠕变变形量的一半，晶界的滑 动是通过晶界的滑移和迁移来进行的。
空洞形成示意图
空位聚积形成空洞示意图
第二节
高温力学性能指标
1. 蠕变极限 2. 持久强度极限 3. 剩余应力与应力松弛 4. 影响因素
蠕变极限 为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要金属材料具有一 定的蠕变极限。 蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。 蠕变极限一般有两种表示方法： 1) 在给定温度T下，使试样产生规定蠕变速度的应力值，以符号
1. 金属与陶瓷材料的蠕变曲线 （1）ab段为蠕变第I阶段，称为减速蠕变阶段，其蠕变变形速度与时间的关系可 用下式表示：
& = At − n ε
式中A、n皆为常数，且0<n≤1。
（2）bc段为蠕变第II阶段，此阶段蠕变速度基本不变，为恒速（稳定）蠕变 （ 阶段。此时的蠕变速度称最小蠕变速度，即通常所谓的蠕变速度，其蠕变量 为：
松弛曲线
金属材料的应力松弛 高温条件下金属材料会出现明显的应力松弛现象，如高温条件工作的 紧固螺栓和弹簧都会发生应 力松弛现象。 零件总应变可写作弹性应变εe和塑性应变εp之和，即： ε=εe + εp=常数 应力松弛曲线：是在给定温度和总应变条件下， 应力随着时间的变 化曲线。 松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。常用金属材料在一定温 度T和一定初应力σ0作用下，经规定时间t后的“残余应力”σ的大小作为 松弛稳定性的指标。
典型蠕变曲线
蠕变曲线 描述蠕变变形规律的参量主要有：应力、温度、时间、蠕变变形量和变形速率等， 其关系为：
& ε = f (σ , T , ε ,τ , m1 , m2 )
式中为蠕变速率，σ为应力，T为绝对温度，ε为蠕变变形量，m1和m2为与晶体结 构特性（如弹性模量等）和组织因素（如晶粒度等）有关的参量。
金属和陶瓷材料的蠕变变形机制 1. 位错滑移蠕变 塑性变形→位错滑移→塞积、强化、更大切应力下才能重新运动→变 形速度减小； 在高温下，靠热激活和空位扩散来进行→刃位错发生攀移→位错在新 的滑移面上运动→位错源再次开动、使蠕变得以不断发展（动态回复过程） → 蠕变速度增大。 第I阶段，材料因变形而强化，阻力增大，速率减小。 第II阶段，材料强化与动态回复共存，达到平衡，蠕变速率维持不变。
& ε = εt
（3）cd段为蠕变第III阶段，为加速蠕变阶段。此时材料因产生颈缩或裂纹 而很快于d点断裂。蠕变断裂时间及总变形量为tr及εr。
& 第II阶段的蠕变速度 ε 及τr(持久断裂时间)、εr(持久断裂塑性)是材Байду номын сангаас高
温力学性能的重要指标。 蠕变曲线与应力、温度有关；应力小、温度低时，蠕变速率低、第II阶 段长；应力增加、温度升高后，第II阶段变短、甚至消失。
温度和时间对断裂形式的影响 温度升高时，晶粒强度和晶界强度都要降低， 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。 晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”TE。 当材料在TE以上工作时，材料的断裂方式由常见的穿晶断裂过渡到晶间断裂。 材料的TE不是固定不变的，变形速率对它有较大影响。因晶界强度对形变 速率敏感性要比晶粒大得多，因此TE随变形速度的增加而升高。
蠕变极限和持久强度的影响因素 由蠕变断裂机理可知： 1）要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速度； 2）要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须抑制晶界的滑动，也就是说要控制 晶内和晶界的扩散过程。 （一）合金化学成分的影响 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。 1. 熔点愈高的金属(Cr、W、Mo、Nb)，自扩散愈慢； 2. 层错能降低，易形成扩展位错，位错难以交滑移、攀移； 3. 弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移；