第08章 金屬高溫力學(xué)性能

1第八章

金屬高溫力學(xué)性能§8.1材料的高溫性能

§8.2金屬的蠕變及其斷裂

§8.3高溫力學(xué)性能及其影響因素

§8.4其他高溫力學(xué)性能2

§8.1材料的高溫性能

鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)動機(jī)，飛船的外殼等，長期在高溫條件下工作。

故對材料的高溫性能有一定或特別的要求。

8.1.1常見的高溫性能

(1)抗（高溫）氧化性

(2)熱強(qiáng)性材料在高溫、長時(shí)間和應(yīng)力的作用下，抵抗變形和斷裂的能力。（包括：持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、高溫疲勞強(qiáng)度、高溫硬度等）38.1.2影響高溫強(qiáng)度的因素

高溫σb

=f(t，τ，v)(1)溫度t

溫度的高低，是相對金屬的熔點(diǎn)而言。

故采用約比溫度（試驗(yàn)溫度/材料熔點(diǎn)）“t/tm”描述溫度的“高”或“低”；

另，還有：“彈塑性轉(zhuǎn)變溫度”；“晶粒與晶界的等強(qiáng)溫度”TE（圖8-1）。

(2)時(shí)間τ隨加載時(shí)間延長，σb↓，蠕變行為。(3)變形速率v（該值增大相當(dāng)于受載截面的應(yīng)力升高）

等強(qiáng)溫度TE

隨變形速率v↑而↑。Note：高溫（>TE）時(shí)，受載材料的斷裂將由穿晶→沿晶方式，a圖4§8.2金屬的蠕變及其斷裂8.2.1蠕變

(1)蠕變、蠕變斷裂

材料（金屬）在長時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑變的現(xiàn)象—→蠕變。由蠕變變形導(dǎo)致的斷裂—→蠕變斷裂。（VS）應(yīng)力松馳：在給定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料所受應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象）

(2)蠕變曲線（特點(diǎn)）1）減速蠕變階段，開始大，逐漸減速；δq——高溫、外載作用下，產(chǎn)生的初始塑性變形；經(jīng)過τ1時(shí)間，由δq升至δ’。2）恒速蠕變階段τ2，速度幾乎保持不變；一般所指金屬蠕變速率，即指這一段的。3）加速蠕變階段τ3，蠕變速度漸增，終→斷裂。

(3)應(yīng)力和溫度對蠕變曲線的影響

應(yīng)力較小♀或溫度較低時(shí)，第二階段較長，第三階段很短；反之，第二階段很短，很快斷裂。（見圖8-2）58.2.2蠕變機(jī)理

(1)位錯(cuò)運(yùn)動

外來熱激活能，有利于增強(qiáng)位錯(cuò)運(yùn)動（滑移、攀移、交滑移等），使其克服短程障礙。∴材料發(fā)生塑性變形。蠕變第一階段，蠕變變形而產(chǎn)生形變硬化，蠕變速率↓。也稱為“減速蠕變階段”。

第二階段：動態(tài)回復(fù)（軟化），硬化與軟化達(dá)到平衡，蠕變速率為一常數(shù)。第三階段，在位錯(cuò)運(yùn)動、動態(tài)回復(fù)（軟化）過程中，因晶粒變得越來越細(xì)，致使蠕變加速（位錯(cuò)運(yùn)動+晶粒轉(zhuǎn)動，即晶界滑動），材料斷裂。(2)擴(kuò)散性蠕變

當(dāng)約比溫度>0.5，在高溫和應(yīng)力作用下，空位、原子的定向擴(kuò)散（不均勻應(yīng)力場）?！嗖牧袭a(chǎn)生蠕變。(3)晶界滑動

高溫和應(yīng)力的作用下，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動（即晶界滑動）。

∴當(dāng)晶粒減小，晶界滑動對蠕變的作用越大。68.2.3蠕變斷裂機(jī)理(1)裂紋萌生1）三晶粒交會處萌生楔形裂紋（高應(yīng)力，低溫度）原因：晶界滑動，三晶粒交會處造成應(yīng)力集中，形成空洞，空洞相互連接，便形成楔形裂紋。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，晶界滑動產(chǎn)生的空洞；空洞長大，匯聚形成裂紋。(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。（高應(yīng)力、低溫度）（低應(yīng)力、高溫度）7§8.3高溫力學(xué)性能及其影響因素

8.3.1蠕變極限相對指標(biāo)（t、）

例如：表示：在600℃，穩(wěn)態(tài)蠕變速率

=1×10-5%/h的強(qiáng)度60MPa。又如(規(guī)定溫度t、時(shí)間τ，蠕變總伸長δ)表示500℃，10萬小時(shí)，總伸長率為ε=1%的蠕變極限為100MPa。

具體選用哪種表示方法，~根據(jù)服役工況來定。

“測定蠕變強(qiáng)度的裝置和方法”

88.3.2持久強(qiáng)度極限

在規(guī)定溫度（t），達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間（τ）而不發(fā)生斷裂的應(yīng)力值

通過高溫拉伸持久試驗(yàn)測定

由于時(shí)間長，一般是作lgσ～lgτ曲線，用外推法計(jì)算持久強(qiáng)度值。

如高溫合金在700℃，1000小時(shí)的持久強(qiáng)度極限為30MPa持久塑性試樣斷裂后的伸長率及斷面收縮率。98.3.3剩余應(yīng)力

材料抵抗應(yīng)力松馳的性能稱為松馳穩(wěn)定性。應(yīng)力松馳曲線

Via變形量衡定，測試加載應(yīng)力隨時(shí)間延長而降低的曲線。任一時(shí)間，試樣上所保持的應(yīng)力稱為剩余應(yīng)力σsh

初始應(yīng)力與剩余應(yīng)力之差，稱為松馳應(yīng)力。σso

108.3.4、影響高溫力學(xué)性能的因素(1)材料本身（材質(zhì)）

1）熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散激活能高的金屬或合金，增大晶格阻力。

2）顯微組織

晶粒直徑適當(dāng)加大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜的第二相，并形成網(wǎng)狀骨架；(2)提高冶煉質(zhì)量和采取熱處理減少低熔點(diǎn)夾雜物；晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界（熱處理后）。11§8.4其他高溫力學(xué)性能8.4.1高溫短時(shí)拉伸性能（火箭、導(dǎo)彈發(fā)射）

瞬時(shí)高溫強(qiáng)度；熱塑性（蠕變不起決定作用）。8.4.2高溫硬度

工具材料（紅硬性），高溫軸承。

測高溫硬度的壓頭。

12高溫力學(xué)性能與室溫力學(xué)性能的對比性能特點(diǎn)：高溫室溫

σb=f(t,τ)σb=C,σs=C

蠕變，應(yīng)力松馳，

蠕變與疲勞的交互作用變形機(jī)制：

不會產(chǎn)生孿晶；滑移、晶內(nèi)滑移和孿晶

+晶界弱化而致滑動。晶界起阻