力學(xué)性能第二單元 (2)

1、 第八單元 金屬高溫力學(xué)性能 有許多機(jī)械零件或構(gòu)件是在高溫下工作的，如高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及化工廠的反應(yīng)容器等。這些零構(gòu)件在高溫下工作有時(shí)間短則幾秒，長(zhǎng)則十萬(wàn)小時(shí)以上，這些金屬零構(gòu)件在高溫下表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能與室溫時(shí)的性能有很大的差別。因此，金屬材料在高溫下的力學(xué)性能，不能只簡(jiǎn)單地用常溫下短時(shí)拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)評(píng)定，還必須考慮溫度和時(shí)間兩個(gè)因素。 本單元將闡述金屬材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的蠕變現(xiàn)象，討論蠕變變形和斷裂的機(jī)理，介紹高溫力學(xué)力學(xué)性能指標(biāo)及影響因素，為正確選用高溫金屬材料和合理制定其熱處理工藝提供依據(jù)。本單元導(dǎo)讀模塊一 金屬的蠕變能力知識(shí)點(diǎn)能力知識(shí)

2、點(diǎn)1金屬材料在高溫下力學(xué)性能的特點(diǎn)金屬材料在高溫下力學(xué)性能的特點(diǎn)金屬材料在高溫下力學(xué)性能的特點(diǎn)金屬材料在高溫下力學(xué)性能的特點(diǎn)n首先，溫度對(duì)金屬材料的力學(xué)性能影響很大。一般隨溫度升高，強(qiáng)度降低而塑性增加。例如，20鋼除了在200附近由于出現(xiàn)“藍(lán)脆現(xiàn)象”使抗拉強(qiáng)度Rm比室溫下有所增高外，均隨溫度的上升而下降。n其次，金屬材料在常溫下的靜載性能與載荷持續(xù)時(shí)間關(guān)系不大，但在高溫下載荷持續(xù)時(shí)間對(duì)力學(xué)性能影響則很大。例如，20鋼在450的瞬間強(qiáng)度為330MPa,在450持續(xù)300h的持久強(qiáng)度為230MPa，而在450持續(xù)1000h的持久強(qiáng)度為120MPa。n同時(shí)，在高溫長(zhǎng)時(shí)間載荷作用下，金屬材料的塑性顯著

3、降低，缺口敏感性增加，因而高溫?cái)嗔淹〕蚀嘈云茐默F(xiàn)象。n設(shè)計(jì)、選材不當(dāng)使用用疏忽，將導(dǎo)致工件斷裂或由于過(guò)量塑性失效，如汽輪機(jī)葉片斷裂、高溫高壓管道管徑變大、高溫高壓容器緊固螺栓因應(yīng)力松弛而造成泄露等。能力知識(shí)點(diǎn)能力知識(shí)點(diǎn)2 金屬蠕變現(xiàn)象金屬蠕變現(xiàn)象一、蠕變現(xiàn)象n金屬材料在一定的溫度和應(yīng)力作用下，隨時(shí)間發(fā)生緩慢而連續(xù)的塑性變形的現(xiàn)象，稱(chēng)為蠕變（Creep），產(chǎn)生蠕變所需的應(yīng)力，甚至可以小于材料的彈性極限。n金屬材料在高溫下的力學(xué)性能特點(diǎn)都是和蠕變緊密聯(lián)系的。 古代人們就發(fā)現(xiàn)，鉛放在垂直的位置，有向下緩慢流動(dòng)的現(xiàn)象；懸掛的鋁管子有自身伸長(zhǎng)的現(xiàn)象。這些蠕變現(xiàn)象由于當(dāng)時(shí)條件限制沒(méi)有被人們所重視，190

4、5年菲利普斯發(fā)表了橡膠、玻璃及金屬絲在恒定的拉應(yīng)力作用下有緩慢延伸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并把伸長(zhǎng)值與應(yīng)力作用時(shí)間的關(guān)系數(shù)學(xué)式表達(dá)了出來(lái)。1910年后，安德雷德等人發(fā)表了金屬和合金的蠕變、變形的研究報(bào)告，于是，更多的學(xué)者發(fā)表了他們關(guān)于蠕變的研究成果。一、蠕變現(xiàn)象n蠕變現(xiàn)象的產(chǎn)生由三個(gè)方面的因素構(gòu)成：溫度、應(yīng)力和時(shí)間。溫度愈高、應(yīng)力越大、作用時(shí)間越長(zhǎng)，金屬蠕變現(xiàn)象愈明顯。n對(duì)于不同的金屬，出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象的溫度不同，一般在0.3Tm（Tm為以絕對(duì)溫度表示的熔點(diǎn)）以上時(shí)就會(huì)出現(xiàn)明顯的蠕變。n碳鋼在300400時(shí)，在應(yīng)力的作用下即能明顯地出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，當(dāng)溫度在高于400時(shí)，即使應(yīng)力不大，也會(huì)出現(xiàn)較大速率的蠕變；合金

5、鋼在超過(guò)400450時(shí)，在一定的應(yīng)力作用下，就會(huì)發(fā)生蠕變；而對(duì)于鉛、錫及它們的合金，在室溫條件下也能表現(xiàn)出蠕變現(xiàn)象。一、蠕變現(xiàn)象n由于金屬蠕變的累積，使金屬部件發(fā)生過(guò)量的塑性變形而不能使用，或者蠕變進(jìn)入到了加速發(fā)展階段，發(fā)生蠕變破裂，均會(huì)使部件失效損壞，甚至發(fā)生嚴(yán)重事故。所以，對(duì)蠕變的研究對(duì)長(zhǎng)期在高溫條件工作的機(jī)械零件和構(gòu)件具有特別重要的意義。n例如，鍋爐、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、火箭及汽輪機(jī)等，其熱機(jī)械構(gòu)件的選材和設(shè)計(jì)，都必須考慮材料的蠕變性能，否則將發(fā)生破壞性事故。因此，蠕變性能是高溫機(jī)械設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一。二、蠕變曲線n金屬材料的蠕變現(xiàn)象可用蠕變曲線來(lái)描述，在適當(dāng)?shù)膽?yīng)力和溫度范圍，典型的蠕變

6、曲線如圖。n圖中Oa線段是試樣在溫度t下承受恒定拉應(yīng)力時(shí)所產(chǎn)生的起始伸長(zhǎng)率，這是一加載就立即產(chǎn)生的應(yīng)變量，它包括彈性變形和塑性變形兩部分，這一應(yīng)變量當(dāng)然不應(yīng)算作蠕變量。 起始伸長(zhǎng)率二、蠕變曲線n第一階段ab：是減速蠕變階段，又稱(chēng)過(guò)渡蠕變階段，這一階段從曲線的斜率可以看出，開(kāi)始的蠕變速率很大，隨著時(shí)間增加，蠕變速率逐漸減小，到b點(diǎn)達(dá)到最小值。這一階段是很短的，不超過(guò)幾百小時(shí)。n第二階段bc：是恒速蠕變階段，又稱(chēng)穩(wěn)態(tài)蠕變階段，這一階段的蠕變速率保持不變。一般所指的金屬蠕變速率，都是指的這一階段而言，否則將毫無(wú)意義且無(wú)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，一般在高溫下工作的機(jī)件所要求的壽命都設(shè)定在蠕變第二階段。n第三階段c

7、d：是加速蠕變階段。隨著時(shí)間增加，蠕變速率越來(lái)越快，到d點(diǎn)便蠕變斷裂。n影響材料蠕變過(guò)程的兩個(gè)最主要參數(shù)是溫度和應(yīng)力。n當(dāng)溫度降低或者應(yīng)力減小，都可使蠕變過(guò)程減慢，這時(shí)可以看到蠕變第二階段很長(zhǎng)，第三階段甚至可以不出現(xiàn)。反之，當(dāng)溫度升高或者應(yīng)力增加，第二階段較短，甚至中間直線部分消失，很快地由蠕變第一階段過(guò)渡到第三階段。 應(yīng)力和溫度對(duì)蠕變曲線的影響 a) 溫度恒定（1234) b）應(yīng)力恒定(t1t2t3t4)能力知識(shí)點(diǎn)能力知識(shí)點(diǎn)3 蠕變?nèi)渥冏冃螜C(jī)制變形機(jī)制n蠕變變形主要通過(guò)位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散等機(jī)理進(jìn)行。n (1)位錯(cuò)蠕變機(jī)制：主要發(fā)生在溫度較低 (0.5 Tm)應(yīng)力較高的情況下，多數(shù)工業(yè)用的抗蠕

8、變合金在服役條件下其變形機(jī)制均屬這種。 外來(lái)熱激活能，有利于加強(qiáng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)（滑移、攀移、交滑移等），克服短程障礙。 材料發(fā)生塑性變形。 一、金屬蠕變變形機(jī)制(2)擴(kuò)散蠕變機(jī)制: 發(fā)生在更高的溫度0.60.7 Tm和應(yīng)力較小的情況下。少數(shù)的工程合金象燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤(pán)使用的鎳基超合金和陶瓷材料的變形機(jī)制屬于此類(lèi) 。 高溫和應(yīng)力的作用下，空位、原子的定向擴(kuò)散（不均勻應(yīng)力場(chǎng)）。 材料產(chǎn)生蠕變?？瘴灰苿?dòng)方向 原子移動(dòng)方向二、金屬蠕變斷口n蠕變斷裂斷口的宏觀特征為：一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，使斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；二是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜聽(tīng)覆蓋。n蠕變斷裂的

9、微觀斷口特征，主要為冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。n由于蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生，因此，晶界的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小及晶粒度的均勻性對(duì)蠕變斷裂均會(huì)產(chǎn)生很大影響。在高溫下，粗大晶粒有利。模塊二 金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)能力知識(shí)點(diǎn)能力知識(shí)點(diǎn)1 蠕變?nèi)渥儤O限極限一、蠕變極限n在規(guī)定溫度下，使試樣在規(guī)定時(shí)間產(chǎn)生的蠕變伸長(zhǎng)率(總伸長(zhǎng)率或塑性伸長(zhǎng)率)或穩(wěn)態(tài)蠕變速率不超過(guò)規(guī)定值的最大應(yīng)力稱(chēng)為蠕變極限（Creep limit）。n與常溫下的屈服強(qiáng)度相似，蠕變極限是金屬材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)。n這是為保證在高溫長(zhǎng)時(shí)間載荷作用下機(jī)件不致產(chǎn)生過(guò)量塑性變形的抗力指標(biāo)。如蒸汽輪機(jī)葉片高溫時(shí)

10、如發(fā)生過(guò)量蠕變，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子將不能在定子中正常運(yùn)行。n在規(guī)定溫度（t）下，使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率（v）不超過(guò)規(guī)定值的最大應(yīng)力。n在規(guī)定溫度（t）下和規(guī)定的時(shí)間（ ）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長(zhǎng)率（ ）不超過(guò)規(guī)定值的最大應(yīng)力。t/表示方法tvMPa606001015MPa10050010/15表示溫度為600的條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率為l10-5h的蠕變極限為60MPa。表示材料在500，經(jīng)10萬(wàn)小時(shí)產(chǎn)生的變形量為1%時(shí)的蠕變極限為100MPa。n這兩種規(guī)定方法差別不大。n若蠕變速率大而服役時(shí)間短時(shí)，可取前一種表示方法；反之，蠕變速率小而服役時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，則宜用后一種表示方法。二、金屬蠕變?cè)囼?yàn)

11、n蠕變?cè)囼?yàn)是測(cè)定材料在給定溫度和應(yīng)力下抗蠕變變形能力的一種試驗(yàn)方法，應(yīng)用最廣泛的是拉伸蠕變?cè)囼?yàn)。n在規(guī)定的溫度下,把一組試樣分別置于不同恒應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定試樣隨時(shí)間的軸向伸長(zhǎng),以所得的數(shù)據(jù)將試驗(yàn)結(jié)果在單對(duì)數(shù)或雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上繪制出應(yīng)力穩(wěn)態(tài)蠕變速率或應(yīng)力蠕變總伸長(zhǎng)率關(guān)系曲線。用內(nèi)插法或外推法求蠕變極限。n蠕變?cè)囼?yàn)的時(shí)間，根據(jù)零件在高溫下的使用壽命而定。蠕變?cè)囼?yàn)溫度一般為3001000，試驗(yàn)時(shí)問(wèn)不超過(guò)10000h。對(duì)在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行的鍋爐、汽輪機(jī)等材料，有時(shí)要求提供1020萬(wàn)小時(shí)的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。1.試樣n蠕變?cè)嚇优c一般拉伸試樣相似，不同的是在蠕變?cè)嚇庸ぷ鞑糠值膬啥烁饔幸粋€(gè)經(jīng)特殊加工的部位用來(lái)裝引

12、伸計(jì)，有的為螺紋，有的為一凸臺(tái)。n 圓形蠕變?cè)嚇又睆?10 mm，原始計(jì)算長(zhǎng)度5d0或10d0(也可以采用12.5 d0) 。n板形蠕變?cè)嚇雍穸纫话銥?5mm，寬度615mm，原始計(jì)算長(zhǎng)度50100mm。 標(biāo)準(zhǔn)蠕變?cè)囼?yàn)試樣 a) 圓試樣 b) 板試樣2. 試驗(yàn)裝置n試樣7裝卡在夾頭8上，然后置于電爐6內(nèi)加熱，試樣溫度用捆在試樣上的熱電偶5測(cè)定，爐溫用鉑電阻2控制。通過(guò)杠桿3及祛碼4對(duì)試樣加載，使之承受一定大小的拉應(yīng)力。試樣的蠕變總伸長(zhǎng)量用安裝在爐外的引伸計(jì)1測(cè)量。 1-引伸計(jì) 2-鉑電阻 3-杠桿 4-砝碼 5-熱電偶 6-電爐 7-試樣 8-夾頭3.試驗(yàn)過(guò)程n試樣安裝完畢，在升溫過(guò)程中，應(yīng)在

13、試樣上施加一個(gè)拉緊力，目的是使試樣各連接部位保持穩(wěn)定，施加的初始力為試驗(yàn)力的10且應(yīng)力應(yīng)大于10MPa。待爐溫升到規(guī)定溫度后再加主負(fù)荷,加荷時(shí)要平穩(wěn)無(wú)沖擊。加主負(fù)荷前，調(diào)整好試樣兩邊引伸計(jì)的初始讀數(shù),主負(fù)荷加上后應(yīng)立即記下變形值，以后每隔一定時(shí)間記錄一次。如試樣有些偏心，則讀數(shù)值取其平均值。n只要求得到第二階段蠕變速度時(shí),應(yīng)根據(jù)曲線情況待第二階段延續(xù)5001000h,試驗(yàn)總時(shí)間為3000h左右時(shí),即可結(jié)束試驗(yàn)。關(guān)爐之前卸去全部載荷，記下卸荷后千分表讀數(shù)，這個(gè)值表示試樣的殘余變形。n試驗(yàn)進(jìn)行至規(guī)定時(shí)間后停止，將試驗(yàn)結(jié)果在單對(duì)數(shù)或雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上繪制出應(yīng)力穩(wěn)態(tài)蠕變速率或應(yīng)力蠕變總伸長(zhǎng)率關(guān)系曲線。4.

14、蠕變極限的確定n在進(jìn)行金屬蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，在同一溫度下要用四個(gè)以上的不同應(yīng)力進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，每個(gè)應(yīng)力水平做出三個(gè)數(shù)據(jù)，在單對(duì)數(shù)或雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上用作圖法或最小二乘法繪制出應(yīng)力一蠕變伸長(zhǎng)率或應(yīng)力一穩(wěn)態(tài)蠕變速率關(guān)系曲線，用內(nèi)插法或外推法求出蠕變極限。能力知識(shí)點(diǎn)能力知識(shí)點(diǎn)2 持久持久強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限n持久強(qiáng)度極限是高溫下載荷長(zhǎng)期作用時(shí)材料對(duì)斷裂的抵抗能力，是指材料試樣在規(guī)定溫度下達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間而不產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力。n表示方法： 在一定溫度下和規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)不引起斷裂的最大應(yīng)力值。一、持久強(qiáng)度MPa3007001013表示材料在700經(jīng)1000小時(shí)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，即持久強(qiáng)度極限為300MPa。一、

15、持久強(qiáng)度n蠕變極限是以考慮變形為主，如蒸汽輪機(jī)和燃汽輪機(jī)葉片在長(zhǎng)期運(yùn)行中，只允許發(fā)生一定的變形，在設(shè)計(jì)時(shí)以材料的蠕變極限作為主要依據(jù)。n而對(duì)某些高溫零件，如鍋爐中的過(guò)熱蒸氣管和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)蠕變變形要求并不嚴(yán)格，但必須保證在使用期間不發(fā)生破壞，因此，主要性能為持久強(qiáng)度極限，在設(shè)計(jì)時(shí)主要以持久強(qiáng)度極限作依據(jù)，而蠕變極限作為校核使用。n對(duì)那些嚴(yán)格限制其蠕變變形的高溫零件也必須要有持久強(qiáng)度極限的數(shù)據(jù)，用它來(lái)衡量材料使用中的安全可靠程度。二、金屬高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)n金屬持久強(qiáng)度試驗(yàn)方法與蠕變?cè)囼?yàn)方法都是在恒定溫度及恒定拉伸力作用下評(píng)定材料的高溫性能。n兩者的區(qū)別是，持久強(qiáng)度試驗(yàn)一般施加的應(yīng)力大，而蠕變?cè)?/p>

16、驗(yàn)所施加的應(yīng)力較??；蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中要測(cè)量試樣變形，而持久試驗(yàn)則記錄斷裂時(shí)間。測(cè)量變形量測(cè)量時(shí)間或應(yīng)力1.試樣n持久試樣有圓形試樣、矩形試樣以及缺口試樣三種類(lèi)型。n圓形試樣與拉伸試樣相似，直徑為5 mm和10 mm，原始計(jì)算長(zhǎng)度分別為25 mm和50 mm，為了準(zhǔn)確地計(jì)算持久斷后伸長(zhǎng)率，可適當(dāng)減小過(guò)渡圓弧半徑。n在可能的情況下，盡量選用大直徑試樣進(jìn)行試驗(yàn)。 直徑10mm的圓形橫截面標(biāo)準(zhǔn)持久試樣 矩形截面標(biāo)準(zhǔn)持久試樣 圓形截面缺口持久試樣2.持久強(qiáng)度極限的評(píng)定n由金屬材料的檢驗(yàn)規(guī)程規(guī)定。給出其材料的試驗(yàn)溫度和應(yīng)力，在持久強(qiáng)度試驗(yàn)中，當(dāng)持續(xù)時(shí)間超過(guò)規(guī)定的時(shí)間后，即認(rèn)為該材料持久強(qiáng)度試驗(yàn)合格。n這種方

17、法常為工廠生產(chǎn)檢驗(yàn)中所采用。用這種評(píng)定方法屬于較短壽命設(shè)計(jì)的持久強(qiáng)度性能指標(biāo)，對(duì)許多機(jī)械設(shè)計(jì)并不適用。時(shí)間指標(biāo)2.持久強(qiáng)度極限的評(píng)定n持久強(qiáng)度極限。對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為數(shù)百至數(shù)千小時(shí)的機(jī)件，其材料的持久強(qiáng)度極限可以直接用同樣的時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)確定。n但對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為數(shù)萬(wàn)以至數(shù)十萬(wàn)小時(shí)的機(jī)件，要進(jìn)行這么長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)是比較困難的。因此，和蠕變?cè)囼?yàn)相似，一般作出一些應(yīng)力較大、斷裂時(shí)間較短(數(shù)百至數(shù)干小時(shí))的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其應(yīng)力-時(shí)間雙對(duì)數(shù)圖上回歸成直線，即持久強(qiáng)度曲線，用外推法求出數(shù)萬(wàn)以至數(shù)十萬(wàn)小時(shí)的持久強(qiáng)度極限。應(yīng)力指標(biāo)12CrlMoV鋼在580及600時(shí)的持久強(qiáng)度曲線，由圖可見(jiàn)，試驗(yàn)最長(zhǎng)時(shí)間為一萬(wàn)小時(shí)(實(shí)線

18、部分)，但用外推法(虛線部分)可得到十萬(wàn)小時(shí)的持久強(qiáng)度極限值。如12CrlMoV鋼在580、100000h的持久強(qiáng)度極限為89MPa。能力知識(shí)點(diǎn)能力知識(shí)點(diǎn)3 松弛穩(wěn)定性及其松弛穩(wěn)定性及其指標(biāo)指標(biāo)一、應(yīng)力松馳n由于金屬在長(zhǎng)時(shí)高溫載荷作用下會(huì)產(chǎn)生蠕變，因此，對(duì)于在高溫下工作并依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)力的機(jī)件，如高溫管道法蘭接頭的緊固螺栓、用壓緊配合固定于軸上的汽輪機(jī)葉輪等，就可能隨時(shí)間的延長(zhǎng)，在總變形量不變的情況下，彈性變形不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，從而使工作?yīng)力逐漸降低，以致失效。n這種在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料中的應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力松弛。可以將應(yīng)力松弛現(xiàn)象看作是應(yīng)力不斷

19、降低條件下的蠕變過(guò)程，因此，蠕變與應(yīng)力松弛是既有區(qū)別又有聯(lián)系的。n金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱(chēng)為松弛穩(wěn)定性。n通過(guò)應(yīng)力松弛試驗(yàn)（具體方法請(qǐng)參閱GB/T 10120-1996）測(cè)定的應(yīng)力松弛曲線來(lái)評(píng)定。n金屬的松弛曲線是在規(guī)定溫度下，對(duì)試樣施加載荷，保持初始變形量恒定，測(cè)定試樣上的應(yīng)力隨時(shí)間而降低的曲線。二、應(yīng)力松弛穩(wěn)定性圖中0小為初始應(yīng)力，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣中的應(yīng)力不斷減小。對(duì)于不同的金屬材料或同一材料經(jīng)不同熱處理，在相同試驗(yàn)溫度和初始應(yīng)力條件下，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后，剩余應(yīng)力越高者，其松弛穩(wěn)定性越好。 n剩余應(yīng)力re是評(píng)定金屬材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。n對(duì)于不同的金屬材料或同一材料經(jīng)不同熱處理，在

20、相同試驗(yàn)溫度和初始應(yīng)力條件下，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后，剩余應(yīng)力越高者，其松弛穩(wěn)定性越好。 熱處理對(duì)20Cr1Mo1V1鋼應(yīng)力松弛曲線的影響-1000正火，700回火 -1000淬火，700回火n圖為制造汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)緊固件用的20Cr1Mo1V1鋼，分別經(jīng)不同熱處理后的應(yīng)力松弛曲線。n由圖可見(jiàn)，在相同初始應(yīng)力(300MPa)和相同試驗(yàn)時(shí)間條件下采用正火工藝的剩余應(yīng)力值高于油淬工藝的，說(shuō)明前者有較好的應(yīng)力松弛穩(wěn)定性。模塊四 影響金屬高溫性能的因素n由蠕變變形和斷裂機(jī)理可知，要提高蠕變極限必須控制位錯(cuò)滑移或攀移的速率；要提高持久強(qiáng)度極限必須控制晶界的滑動(dòng)。n也就是說(shuō)，要提高金屬材料的高溫力學(xué)性能，應(yīng)控制晶

21、內(nèi)和晶界的原子擴(kuò)散過(guò)程。n這種擴(kuò)散過(guò)程主要取決于合金的化學(xué)成分，并與冶煉工藝、熱處理工藝等因素密切相關(guān)。4.1 材料本身（材質(zhì)）n位錯(cuò)越過(guò)障礙所需的激活能(即蠕變激活能)越高的金屬，越難產(chǎn)生蠕變變形。n耐熱鋼及合金的基體材料段選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e(cuò)能低的金屬及合金。n層錯(cuò)能越低的金屬越易產(chǎn)生擴(kuò)展位錯(cuò)，使位錯(cuò)難以產(chǎn)生割階、交滑移及攀移，這些都有利于降低蠕變速率。大多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，其高溫強(qiáng)度比體心立方結(jié)構(gòu)的高，這是一個(gè)重要原因。擴(kuò)展位錯(cuò)（extended disloeation）n一個(gè)全位錯(cuò)分 解為兩個(gè)或多個(gè)不全位錯(cuò)，其間以層錯(cuò)帶相聯(lián)，這個(gè)過(guò) 程稱(chēng)為位錯(cuò)的擴(kuò)展，形成的缺陷體系稱(chēng)為

22、擴(kuò)展位錯(cuò)。n兩個(gè)不全位錯(cuò)之間的區(qū)域帶組成了層錯(cuò),錯(cuò)排所引起的能量變化稱(chēng)為層錯(cuò)能 。 鎳基高溫合金n現(xiàn)在以鎳基高溫合金為例，來(lái)分析一下這種材料是如何通過(guò)各種手段來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫強(qiáng)化的。n鎳基超合金自1941年在英國(guó)研制成功后，經(jīng)過(guò)幾十年的改進(jìn)，現(xiàn)已發(fā)展成100多種合金系，用鎳基超合金制作的燃?xì)廨啓C(jī)葉片的工作溫度由750提高到850，在870經(jīng)10000小時(shí)的持久強(qiáng)度（斷裂應(yīng)力）從35MPa提高到210MPa以上。n鎳基超合金是以鎳為基體加入少量的Al、Ti、Co，還有Cr、Mo等合金元素,這種合金是怎樣實(shí)現(xiàn)高溫強(qiáng)化的呢?鎳基高溫合金n加入的合金元素Al、Co、Cr等是降低鎳的層錯(cuò)能元素，使得擴(kuò)展位錯(cuò)加寬,不易交滑移也不易攀移。n單純用單相固溶體的強(qiáng)化效果是不夠的。在高溫強(qiáng)化的合金中必須形成尺