材料力學(xué)性能第八章 金屬材料的高溫力學(xué)性能

材料力學(xué)性能

裴立宅材料科學(xué)與工程學(xué)院Email:lzpei1977@163.com,lzpei@

3/15/20241安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第八章金屬高溫力學(xué)性能3/15/20242安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備中，很多機(jī)件長(zhǎng)期在高溫下服役。對(duì)于這類(lèi)機(jī)件的材料，只考慮常溫時(shí)靜載時(shí)的力學(xué)性能是不夠的。溫度、在高溫下載荷持續(xù)的時(shí)間對(duì)材料的力學(xué)性能影響很大。如化工設(shè)備中的高溫高壓管道，雖然承受的應(yīng)力小于該工作溫下的屈服強(qiáng)度，但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，即蠕變現(xiàn)象，使管徑逐步增大，如果選材、使用不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致管道破裂。3/15/20243安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高溫下鋼的抗拉強(qiáng)度隨著載荷作用的時(shí)間增加而降低。在高溫短時(shí)載荷作用下，金屬材料塑性增加。在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下，金屬材料的塑性降低，缺口敏感性增加，呈現(xiàn)脆性斷裂。溫度、時(shí)間的聯(lián)合作用會(huì)影響材料的斷裂路徑。3/15/20244安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院3/15/20245安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院溫度的“高”或“低”是相對(duì)于該金屬的熔點(diǎn)來(lái)講的，一般采用“約比溫度（T/Tm）”更為合理。T/Tm>0.5，稱(chēng)為高溫T/Tm≤0.5，稱(chēng)為低溫本章主要介紹材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的蠕變現(xiàn)象，討論蠕變變形和斷裂機(jī)理、高溫力學(xué)性能指標(biāo)與影響因素。3/15/20246安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第一節(jié)金屬的蠕變現(xiàn)象定義：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(chēng)為蠕變斷裂。3/15/20247安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院按照蠕變速率的變化，曲線可分為三個(gè)階段：第一階段：減速蠕變階段，又稱(chēng)過(guò)渡蠕變階段；第二階段：恒速蠕變階段，又稱(chēng)穩(wěn)態(tài)蠕變階段，一般所指金屬的蠕變速率，就是這一階段的蠕變速率；第三階段：加速蠕變階段3/15/20248安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院同一材料的蠕變曲線隨溫度高低、應(yīng)力的大小而有所不同由于金屬在長(zhǎng)時(shí)高溫載荷下會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，對(duì)于在高溫下工作，依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)力的機(jī)件，如高溫管道內(nèi)用的螺栓等，就可能隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在總變形量不變的前提下，彈性變形變?yōu)樗苄宰冃?，從而使工作?yīng)力降低，以致失效。這種在溫度及初始應(yīng)力一定時(shí)，材料中的應(yīng)力隨著時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力松弛。3/15/20249安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第二節(jié)蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理一、蠕變變形機(jī)理（一）位錯(cuò)滑移蠕變（二）擴(kuò)散蠕變（一）位錯(cuò)滑移蠕變常溫下，如果滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生塞積，滑移就不能進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位錯(cuò)重新運(yùn)動(dòng)和增殖。

但在高溫下，位錯(cuò)可借助于外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散來(lái)克服某些短程障礙，從而使材料變形。3/15/202410安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高溫下熱激活過(guò)程主要是刃型位錯(cuò)的攀移塞積在某種障礙前的位錯(cuò)通過(guò)熱激活可以在新的滑移面上運(yùn)動(dòng)，或與異號(hào)位錯(cuò)相遇對(duì)消、或形成亞晶界、或被晶界吸收。當(dāng)塞積群中某一位錯(cuò)被激活發(fā)生攀移時(shí)，位錯(cuò)源便可能再次放出一個(gè)位錯(cuò)，從而形成動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程，蠕變得以不斷發(fā)展。蠕變第一階段，由于蠕變變形逐步產(chǎn)生應(yīng)變硬化，使位錯(cuò)源移動(dòng)的阻力及位錯(cuò)滑移的阻力逐漸增大，使得蠕變速率不斷降低。蠕變第二階段，由于應(yīng)變硬化的發(fā)展，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)回復(fù)的進(jìn)行，使金屬不斷軟化。當(dāng)應(yīng)變硬化與回復(fù)軟化達(dá)到平衡時(shí)，蠕變速率為常數(shù)。3/15/202411安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（二）擴(kuò)散蠕變是高溫下大量原子與空位定向移動(dòng)造成的材料未受外力時(shí)，原子和空位的移動(dòng)沒(méi)有方向性，宏觀上不顯示塑性變形材料兩端受拉應(yīng)力作用時(shí)，多晶內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力場(chǎng)承受拉應(yīng)力的晶界，空位濃度增加承受壓應(yīng)力的晶界，空位濃度減小這種晶體內(nèi)空位從受拉晶界向受壓晶界遷移，原子朝相反的方向運(yùn)動(dòng)，使得晶體伸長(zhǎng)的蠕變，稱(chēng)為擴(kuò)散蠕變。3/15/202412安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二、蠕變斷裂機(jī)理金屬材料在高溫長(zhǎng)載荷作用下的斷裂，一般為沿晶斷裂，這是由于晶界滑動(dòng)在晶界上形成裂紋并逐漸擴(kuò)展引起的。在不同溫度及應(yīng)力條件下，晶界裂紋的形成方式有兩種：1.在三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋

2.在晶界上由空洞形成晶界裂紋3/15/202413安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1.在三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋這是在高應(yīng)力和低溫下，由于晶界滑動(dòng)在三晶粒交會(huì)處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞相互連接形成楔形裂紋3/15/202414安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2.在晶界上由空洞形成晶界裂紋這是較低應(yīng)力和較高溫度下產(chǎn)生的裂紋，這種裂紋出現(xiàn)在晶界上的突起部位和細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)附近，由于晶界滑動(dòng)產(chǎn)生空洞，這些空洞長(zhǎng)大并連接，就形成裂紋由于蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生，所以晶界的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小和晶粒度的均勻性對(duì)蠕變斷裂都會(huì)產(chǎn)生很大影響。3/15/202415安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院蠕變斷裂斷口的宏觀特征：(1)斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋，斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象(2)由于高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋微觀斷口特征：冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌3/15/202416安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第三節(jié)高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素一、蠕變極限為保證高溫長(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)。表達(dá)方式：

(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ε不超過(guò)規(guī)定值的最大應(yīng)力，用σεt表示。

(2)在規(guī)定溫度（t）與試驗(yàn)時(shí)間（τ）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長(zhǎng)率（δ）不超過(guò)規(guī)定值的最大應(yīng)力，用σδ/τt表示。3/15/202417安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在使用上選用哪種方法由蠕變速率與服役時(shí)間來(lái)決定蠕變速率大、服役時(shí)間短，可取用前一種方法σεt蠕變速率小、服役時(shí)間長(zhǎng)，可取用后一種方法σδ/τt試樣(7)卡在夾頭(8)上，然后置于電爐(6)中加熱，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)和砝碼(4)對(duì)試樣加載，使之承受一定的拉應(yīng)力，試樣的伸長(zhǎng)量用安裝在爐外的引伸計(jì)(1)測(cè)量。具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，在同一溫度下要用4個(gè)以上的不同應(yīng)力進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，到規(guī)定的時(shí)間（數(shù)百至數(shù)千小時(shí)）后停止根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪出應(yīng)力-穩(wěn)態(tài)蠕變速率或應(yīng)力-總伸長(zhǎng)率關(guān)系曲線再用內(nèi)插法或外推法求蠕變極限。3/15/202418安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院JRB-20蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)用于金屬材料、非金屬材料的拉伸蠕變、壓縮蠕變及持久強(qiáng)度試驗(yàn)。可以測(cè)量穩(wěn)態(tài)蠕變速率、蠕變極限、蠕變伸長(zhǎng)率、持久斷裂時(shí)間、持久強(qiáng)度極限、持久缺口敏感系數(shù)等力學(xué)性能指標(biāo)。完全能夠?qū)崿F(xiàn)GB／T2039－1997，ISO204:1997等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法。

主要技術(shù)指標(biāo)：

最大載荷:20kN。

載荷測(cè)量精度：示值的±1％或±0.5％(載荷傳感器滿(mǎn)量程的2％起量)。

移動(dòng)速度：0.001mm/min～150mm/min。

移動(dòng)速度精度：±0.5％。

行程：300mm。

對(duì)開(kāi)式大氣爐：300－1000℃。

真空爐：800－1600℃。

恒溫箱：-70－＋350℃。

3/15/202419安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二、持久強(qiáng)度極限定義：高溫長(zhǎng)時(shí)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（τ

）不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，用σεt表示。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，只考慮在給定壓力下使用壽命的機(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)。金屬材料的持久強(qiáng)度極限是通過(guò)做高溫拉伸持久試驗(yàn)測(cè)定的，一般不需要測(cè)定樣品的伸長(zhǎng)量，只要測(cè)定試樣在規(guī)定時(shí)間和應(yīng)力作用下至斷裂的時(shí)間。3/15/202420安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院對(duì)于設(shè)計(jì)壽命幾百至數(shù)千小時(shí)的機(jī)件，材料的持久強(qiáng)度極限可直接用同樣的時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)確定。對(duì)于設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)的機(jī)件，如使用數(shù)萬(wàn)以上小時(shí)，不可能長(zhǎng)時(shí)間做測(cè)試，所以類(lèi)似于蠕變?cè)囼?yàn)，一般做應(yīng)力較大、時(shí)間較短（數(shù)百小時(shí)）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在lgσ-lgτ坐標(biāo)圖上繪出直線，通過(guò)外推法來(lái)求持久強(qiáng)度極限。通過(guò)高溫持久試驗(yàn)，測(cè)量試樣斷裂后的伸長(zhǎng)率及斷面收縮率，還可反映材料在高溫下的持久塑性。3/15/202421安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院三、剩余應(yīng)力金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱(chēng)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。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(chēng)為剩余應(yīng)力，用σsh表示松弛應(yīng)力σso：試樣減少的應(yīng)力，即初始應(yīng)力與剩余應(yīng)力之差。3/15/202422安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院對(duì)于不同金屬材料或同種材料經(jīng)過(guò)不同熱處理，在相同試驗(yàn)溫度和初始應(yīng)力下，經(jīng)規(guī)定時(shí)間τ后，剩余應(yīng)力越高，松弛穩(wěn)定性越好3/15/202423安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院四、影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素由蠕變變形與斷裂機(jī)理可知，要提高蠕變極限，必須控制位錯(cuò)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)。也就是講，要提高金屬材料的高溫力學(xué)性能，就應(yīng)控制晶內(nèi)及晶界的原子擴(kuò)散過(guò)程。這種擴(kuò)散過(guò)程主要取決于合金的化學(xué)成分、晶粒度、冶煉工藝、熱處理工藝等因素有關(guān)。3/15/202424安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（一）合金化學(xué)成分的影響位錯(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。1.在基體金屬中加入鉻、鉬、鎢、鈮等合金元素形成單相固溶體，除產(chǎn)生固溶強(qiáng)化外，還因?yàn)楹辖鹪厥箤渝e(cuò)能降低，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)，且溶質(zhì)原子與溶劑原子的結(jié)合力較強(qiáng)，增大了擴(kuò)散激活能，從而提高了蠕變極限。2.

加入能形成彌散相的合金元素，由于彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)的滑移，所以是提高高溫強(qiáng)度的有效方法。3.

在合金中添加能增加晶界擴(kuò)散激活能的元素，如硼、稀土等，則既能阻礙晶界滑動(dòng)，又增大晶界裂紋面的表面能，對(duì)提高蠕變極限和持久強(qiáng)度極限很有效。3/15/202425安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（二）晶粒度的影響使用溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)晶粒鋼有較高的強(qiáng)度。使用溫度高于等強(qiáng)溫度時(shí)，粗晶粒鋼有較高的蠕變極限和持久強(qiáng)度極限，但晶粒太大會(huì)降低高溫下的塑性與韌性。晶粒不均勻，會(huì)顯著降低其高溫性能，這是由于在大小晶粒交界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中形成裂紋。3/15/202426安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（三）冶煉工藝的影響各種耐熱鋼及高溫合金對(duì)冶煉工藝的要求較高，由于鋼中的夾雜物和某些冶金缺陷會(huì)使材料的持久強(qiáng)度極限降低。高溫合金對(duì)雜質(zhì)元素及氣體含量要求很?chē)?yán)格，即使含量只有十萬(wàn)分之幾，當(dāng)其在晶