第8章金屬高溫力學(xué)性能

第8章金屬高溫力學(xué)性能8.1金屬的蠕變現(xiàn)象8.2蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理8.3金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)及影響因素18.1金屬的蠕變現(xiàn)象蠕變：材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由于這種高溫蠕變變形導(dǎo)致的斷裂，稱為蠕變斷裂。2金屬的蠕變過(guò)程可用蠕變曲線來(lái)描述。8.1金屬的蠕變現(xiàn)象按蠕變速率的變化，曲線可以分為三個(gè)階段：第一階段：ab減速蠕變階段，又稱過(guò)渡蠕變階段；第二階段：bc恒速蠕變階段，又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段；第三階段：cd加速蠕變階段。3同一材料的蠕變曲線隨著溫度高低及應(yīng)力的大小而有不同，見(jiàn)下圖：8.1金屬的蠕變現(xiàn)象應(yīng)力較小、溫度較低時(shí)：蠕變的恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段；應(yīng)力較大、溫度較高時(shí)：蠕變恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間短，甚至消失，試樣在短時(shí)間內(nèi)斷裂，主要為加速蠕變。48.2蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理一、蠕變變形機(jī)理金屬的蠕變變形主要通過(guò)位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散等機(jī)理進(jìn)行，與溫度及應(yīng)力的變化有關(guān)。（一）位錯(cuò)滑移蠕變（二）擴(kuò)散蠕變5（一）位錯(cuò)滑移蠕變8.2蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理外來(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?！嗖牧习l(fā)生塑性變形。68.2蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理（二）擴(kuò)散蠕變

約比溫度>0.5

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。7承受拉應(yīng)力（A、B晶界）的晶界，空位濃度減??；承受壓應(yīng)力（C、D晶界）的晶界，空位濃度增加。這種晶體內(nèi)空位從受拉晶界向受壓晶界遷移，原子朝相反方向運(yùn)動(dòng)，使得晶體伸長(zhǎng)的蠕變，稱為擴(kuò)散蠕變。8.2蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理8二、蠕變斷裂機(jī)理1、裂紋萌生

（1）三晶粒交會(huì)處萌生楔形裂紋（高應(yīng)力，低溫度）

晶界滑動(dòng)，三晶粒交會(huì)處造成應(yīng)力集中，形成空洞，空洞相互連接，便形成楔形裂紋。

8.2蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理9（2）晶界上空洞匯聚（低應(yīng)力、高溫度）

相變形成空洞，第二相質(zhì)點(diǎn)附近，晶界滑動(dòng)產(chǎn)生的空洞；空洞長(zhǎng)大，匯聚形成裂紋。

8.2蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理108.2蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理2、裂紋擴(kuò)展3、斷裂

沿界斷裂，高溫氧化，夾雜物。斷口宏觀特征：斷口附近產(chǎn)生塑性變形；變形區(qū)域有很多裂紋（龜裂）；高溫氧化。

斷口微觀特征：冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。118.3高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素一、蠕變極限為了保證高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的機(jī)件不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。是材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)。128.3高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素(1)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)蠕變速率不超過(guò)規(guī)定值時(shí)的最大應(yīng)力。(2)在規(guī)定溫度與試驗(yàn)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。指：在600℃，ε=1×10-5%時(shí)的蠕變極限。指：500℃，10萬(wàn)小時(shí)，ε=1%的蠕變極限。138.3高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素148.3高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素二、持久強(qiáng)度極限定義：高溫長(zhǎng)載荷作用下的斷裂強(qiáng)度，金屬材料的持久強(qiáng)度極限，是在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。試驗(yàn)時(shí)，規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間以機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命為依據(jù)。對(duì)于設(shè)計(jì)某些在高溫工作時(shí)不考慮變形量的大小，只考慮在給定應(yīng)力下使用壽命的機(jī)件，如鍋爐的過(guò)熱蒸氣管，持久強(qiáng)度極限是很重要的性能指標(biāo)。158.3高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素16三、剩余應(yīng)力金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，可通過(guò)應(yīng)力松弛試驗(yàn)測(cè)定應(yīng)力松弛曲線來(lái)評(píng)定。金屬的松弛曲線：指規(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)力隨著時(shí)間而降低的曲線，見(jiàn)圖。8.3高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素應(yīng)力松弛試驗(yàn)中，任一時(shí)間試樣上所保持的應(yīng)力，稱為剩余應(yīng)力。178.3高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素對(duì)于不同金屬材料或同種材料經(jīng)過(guò)不同的熱處理，在相同試驗(yàn)溫度和初始應(yīng)力下，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后，剩余應(yīng)力越高，松弛穩(wěn)定性越好。188.3高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素四、影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素（一）合金化學(xué)成分的影響（二）冶煉工藝的影響（三）熱處理工藝的影響（四）晶粒度的影響19高溫力學(xué)性能與室溫力學(xué)性能的對(duì)比

高溫室溫性能特點(diǎn)：

σb=f(t,τ)σb=C,σε=C

蠕變，應(yīng)力松馳變形機(jī)制：

不會(huì)產(chǎn)生孿晶；滑移晶內(nèi)滑移和孿晶

晶界起主要作用晶界起阻礙作用提高力學(xué)性能：

增大晶格阻力