金属材料的高温强度概要

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。 – 峰值温度与材料的蓝脆温度相当。
5

在高温条件下，应变速度对材料的强度也有明显 的影响。

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。
450 400 350 ε =85%/min ε =10%/min ε =1.0%/min ε =0.1%/min 25℃
应力,MPa
300 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 ε =85%/min ε =10%/min ε =1.0%/min ε =0.1%/min
T 0 mm .01 : 每格 0.001
0.2 : 0.01% 0.01%
T
3 6 5
E T 0.002%
0.01mm
T 0 mm .2 : 0.01
<±1%
4
Г О С Т 9651 前苏联
<±1%
T T 0 : 0.02 mm 0 .01 mm .2 0 .2 : 每格
450℃
50 应变ε %
60
70
金属材料的高温强度
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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
载荷 精度 <±1% <±1% <±1% <±0.5% <±1% 试验温度允差（℃） 波动 <600:±3 600~900：±4 >900~1200:±5 ≤800：±5 >800~1000:±6 ≤982：±3 >982:±6 ≤800：±5 300~600：±3 >600~800：±4 >800~1000：±6 ≤600：±3 >600~800：±4 >800~1000:±6 >1000~1100:±8 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 梯度 3 4 5


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。
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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：

0 ln t
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
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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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：
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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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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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金属材料的高温强度
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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。 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。
700 600 500 20钢 15CrMo钢
400 350
15CrMo钢 20钢
抗拉强度,MPa
屈服强度,MPa
300 250 200 150 100 50 0 18-8不锈钢
400 300 200 100 0 0 200 400 600 温度,℃ 800 18-8不锈钢
0
100
200
300
400
500
600
700
温度,℃
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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。



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”。
100
20钢δ 20钢δ
5
60 50 40
80
15CrMo钢
10
断面收缩率,%
伸长率,%
60 40 20 0
30 20 10 15CrMo钢δ 0 0 100 200 300 400 500 温度,℃ 600
10
20钢
15CrMo钢δ
5
0
100
200
300
400
500 温度,℃
600
金属材料的高温强度

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。
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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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金属材料的高温强度

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：
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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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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。
金属材料的高温强度
金属材料的高温强度
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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。
s B
.


s B' exp( ) s B" (sinh )n
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.
.
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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。

强度
晶界
晶粒 穿晶断裂 沿晶断裂 TK Ts 温度
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8
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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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(1 ect ) 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。
（0.04~0.1）l0/min 不大于80MPa/min
T p : 0.002m m
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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。
– 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。
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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 t t

1/ 3 …..（6）
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金属材料的高温强度
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。
金属材料的高温强度
王印培 教授
内
1.
容
金属材料在高温下的力学行为特点
蠕变 表征材料高温力学性能的强度指标
2.
3.
4.
高温强度的影响因素
金属材料的高温强度
2
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。
项目 标准名称 YB941 中国 ISO R-783 国际 ASTM E21 美国 BS3688 英国 JIS G0567 日本 DIN 50112 DIN 50118 德国
引伸仪精度
T 0 .2 : 0.02%
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） 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
…………….（4）
称为β蠕变或高温蠕变，β是由应力和温度决定的常数。

而第二阶段的蠕变公式为：

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。