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)動機(jī)等設(shè)備中，很多機(jī)件長期在高溫下服役。對于這類機(jī)件的材料，只考慮常溫時靜載時的力學(xué)性能是不夠的。溫度、在高溫下載荷持續(xù)的時間對材料的力學(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，但在長期使用過程中會產(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間增加而降低。在高溫短時載荷作用下，金屬材料塑性增加。在高溫長時載荷作用下，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、時間的聯(lián)合作用會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”是相對于該金屬的熔點來講的，一般采用“約比溫度（T/Tm）”更為合理。T/Tm>0.5，稱為高溫T/Tm≤0.5，稱為低溫本章主要介紹材料在高溫長時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：材料在長時間的恒溫、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。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，曲線可分為三個階段：第一階段：減速蠕變階段，又稱過渡蠕變階段；第二階段：恒速蠕變階段，又稱穩(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時高溫載荷下會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，對于在高溫下工作，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，就可能隨著時間的延長，在總變形量不變的前提下，彈性變形變?yōu)樗苄宰冃危瑥亩构ぷ鲬?yīng)力降低，以致失效。這種在溫度及初始應(yīng)力一定時，材料中的應(yīng)力隨著時間增加而減小的現(xiàn)象稱為應(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）位錯滑移蠕變（二）擴(kuò)散蠕變（一）位錯滑移蠕變常溫下，如果滑移面上的位錯運(yùn)動受阻產(chǎn)生塞積，滑移就不能進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位錯重新運(yùn)動和增殖。

但在高溫下，位錯可借助于外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散來克服某些短程障礙，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)院高溫下熱激活過程主要是刃型位錯的攀移塞積在某種障礙前的位錯通過熱激活可以在新的滑移面上運(yùn)動，或與異號位錯相遇對消、或形成亞晶界、或被晶界吸收。當(dāng)塞積群中某一位錯被激活發(fā)生攀移時，位錯源便可能再次放出一個位錯，從而形成動態(tài)回復(fù)過程，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，使位錯源移動的阻力及位錯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，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造成的材料未受外力時，原子和空位的移動沒有方向性，宏觀上不顯示塑性變形材料兩端受拉應(yīng)力作用時，多晶內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力場承受拉應(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，使得晶體伸長的蠕變，稱為擴(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載荷作用下的斷裂，一般為沿晶斷裂，這是由于晶界滑動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.在三晶粒交會處形成楔形裂紋這是在高應(yīng)力和低溫下，由于晶界滑動在三晶粒交會處受阻，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)點附近，由于晶界滑動產(chǎn)生空洞，這些空洞長大并連接，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蠕變斷裂都會產(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時載荷作用下的機(jī)件不會產(chǎn)生過量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。是材料在高溫長時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)定時間內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率ε不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力，用σεt表示。

(2)在規(guī)定溫度（t）與試驗時間（τ）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率（δ）不超過規(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間來決定蠕變速率大、服役時間短，可取用前一種方法σεt蠕變速率小、服役時間長，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)測定，爐溫用鉑電阻(2)控制，通過杠桿(3)和砝碼(4)對試樣加載，使之承受一定的拉應(yīng)力，試樣的伸長量用安裝在爐外的引伸計(1)測量。具體實驗時，在同一溫度下要用4個以上的不同應(yīng)力進(jìn)行蠕變試驗，到規(guī)定的時間（數(shù)百至數(shù)千小時）后停止根據(jù)實驗結(jié)果繪出應(yīng)力-穩(wěn)態(tài)蠕變速率或應(yīng)力-總伸長率關(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蠕變試驗機(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。可以測量穩(wěn)態(tài)蠕變速率、蠕變極限、蠕變伸長率、持久斷裂時間、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等國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗方法。

主要技術(shù)指標(biāo)：

最大載荷:20kN。

載荷測量精度：示值的±1％或±0.5％(載荷傳感器滿量程的2％起量)。

移動速度：0.001mm/min～150mm/min。

移動速度精度：±0.5％。

行程：300mm。

對開式大氣爐：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：高溫長時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)時間（τ

）不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，用σεt表示。試驗時，規(guī)定試驗時間以機(jī)組的設(shè)計壽命為依據(jù)。對于設(shè)計某些在高溫工作時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)度極限是通過做高溫拉伸持久試驗測定的，一般不需要測定樣品的伸長量，只要測定試樣在規(guī)定時間和應(yīng)力作用下至斷裂的時間。3/15/202420安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院對于設(shè)計壽命幾百至數(shù)千小時的機(jī)件，材料的持久強(qiáng)度極限可直接用同樣的時間進(jìn)行試驗確定。對于設(shè)計壽命長的機(jī)件，如使用數(shù)萬以上小時，不可能長時間做測試，所以類似于蠕變試驗，一般做應(yīng)力較大、時間較短（數(shù)百小時）的試驗數(shù)據(jù)，在lgσ-lgτ坐標(biāo)圖上繪出直線，通過外推法來求持久強(qiáng)度極限。通過高溫持久試驗，測量試樣斷裂后的伸長率及斷面收縮率，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)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，可通過應(yīng)力松弛試驗測定應(yīng)力松弛曲線來評定。金屬的松弛曲線：指規(guī)定溫度下對試樣施加載荷，保持初始變形量恒定，測定試樣上的應(yīng)力隨著時間而降低的曲線。應(yīng)力松弛試驗中，任一時間試樣上所保持的應(yīng)力稱為剩余應(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)院對于不同金屬材料或同種材料經(jīng)過不同熱處理，在相同試驗溫度和初始應(yīng)力下，經(jīng)規(guī)定時間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，必須控制位錯攀移的速率，要提高持久強(qiáng)度極限，必須控制晶界的滑動。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)散過程。這種擴(kuò)散過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)成分的影響位錯越過障礙所需的激活能（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，還因為合金元素使層錯能降低，易形成擴(kuò)展位錯，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，又增大晶界裂紋面的表面能，對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，細(xì)晶粒鋼有較高的強(qiáng)度。使用溫度高于等強(qiáng)溫度時，粗晶粒鋼有較高的蠕變極限和持久強(qiáng)度極限，但晶粒太大會降低高溫下的塑性與韌性。晶粒不均勻，會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使材料的持久強(qiáng)度極限降低。高溫合金對雜質(zhì)元素及氣體含量要求很嚴(yán)格，即使含量只有十萬分之幾，當(dāng)其在晶