金属高温力学性能

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间对力学性能有很大影响。
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
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由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶粒大得多。
金属材料在高温下的力学性能，还必须加入
温度和时间两个因素，研究温度、应力、应变与时
间的关系，才能建立评定金属材料高温力学性能指
标。
4、约比温度
⑴ 定 义 ： 试 验 温 度 t 与 金 属 熔 点 tm 的 比 值 （t/tm）。t，tm均为绝对温度。
由蠕变变形导致的材料的断裂，称为称为
蠕变断裂。
蠕变在低温下也会产生，但只有当约比温
度大于0.3时才比较显著。如碳钢超过300℃、合金
钢超过400℃时就必须考虑蠕变的影响。
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二、金属的蠕变过程
金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述，典
型的蠕变曲线如图所示。
按蠕变速率的变化，曲线可以分为三个阶
段：
第一阶段：ab 减速蠕变阶段，又称过渡蠕
增加。如图所示
这种晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移，
原子朝相反方向运动，使得晶体伸长的蠕变，称为
扩散蠕变。
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（三）晶界滑动
高温和应力的作用下，因晶界上的原子容
易扩散，受力后晶界易产生滑动（即晶粒发生转
动），也促进蠕变进行。
晶界滑动对蠕变的贡献较小，一般在10％
左右；此机理不是独立的机理，因晶界滑动要与
裂路径。
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3、等强温度
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
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
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§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
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◆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。
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。
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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
变阶段。开始大，逐渐减速；
第二阶段：bc 恒速蠕变阶段，又称稳态蠕
变阶段。速率几乎保持不变；
第三阶段：cd 加速蠕变阶段，逐渐增大，
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最后产生断裂。
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。
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。
⑵衡量：当t/tm >0.5时，为“高温”；反 之则为“低温” 。
⑶意义：对于不同的金属材料，在同样的约
比温度下，其蠕变行为相似，其力学性能变化规律
也是相同的。
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§8－1 金属的蠕变现象
一、蠕变的定义
金属在长时间恒温、恒载荷（即使应力小
于该温度下的屈服强度）作用下缓慢地产生塑性变
形的现象。
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。
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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 洞互相连接形成楔形裂纹。如图所示
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。
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（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、B晶界）的晶界，空位浓度
减小；承受压应力（C、D晶界）的晶界，空位浓度
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。
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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。
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源自文库
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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。
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。
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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。