中南大学金属材料力学性能-高温性能

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1、第八章金属高温力学性能前言：很多机件长期在高温下服役（如高压蒸汽锅炉、汽轮机、航空发动机及化工炼油设备等）。随温度升高，金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂过渡到沿晶断裂，这是因为温度升高时晶粒强度和晶界强度都要降低，但由于晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此，晶界强度下降较快。等强温度---晶粒与晶界两者强度相等的温度。用tE表示。等强温度随变形速度增加而升高。金属材料的高温力学性能是相对于该金属熔点而言的，用“约比温度（t/tm）”判定，t为试验温度，tm为金属的熔点。当t/tm﹥0.5时为“高”温，反之则为“低”温

2、。第一节金属的蠕变现象1.蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷下缓慢地产生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。（蠕变在较低温度下也会发生，但只有当约比温度大于0.3时才比较明显。2.典型蠕变曲线减速蠕变阶段；恒速蠕变阶段；加速蠕变阶段。金属在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。第一节金属的蠕变与蠕变断裂金属：T>0.3-0.4Tm;陶瓷：T>0.4-0.5Tm；高分子材料T>Tg一、蠕变现象金属的蠕变过程可

3、用蠕变曲线来描述。蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速度。蠕变过程分成三个阶段。第一阶段ab是减速蠕变阶段。这一阶段开始的蠕变速度很大，随着时间延长，蠕变速度逐淅减小，到b点蠕变速度达到最小值。第二阶段bc是恒速蠕变阶段。这一阶段的特点是蠕变速度几乎保持不变，因而通常又称为稳态蠕变阶段。一般所反映的蠕变速度，就是以这一阶段的变形速度ε表示的。第三阶段cd是加速蠕变阶段，随着时间的延长，蠕变速度逐渐增大，直至d点产生蠕变断裂。蠕变变形是通过位错滑移、位错攀移等方式实现的。在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产生塞积现象，滑移便不

4、能进行。在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可能使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成小角度亚晶界（此即高温回复阶段的多边化），从而导致金属材料的软化，使滑移继续进行。在高温蠕变条件下，由于晶界强度降低，其变形量就大，有时甚至占总蠕变变形量的一半，这是蠕变变形的特点之一。（一）蠕变变形机理二蠕变过程中变形与断裂机理蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方式产生变形。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大，晶格畸变不断增加，造成形变强化。在高温下，位错虽可通过攀移形成亚晶而产生回复软化，但位错攀移的驱动力

5、来自晶格畸变能的降低。在蠕变初期由于晶格畸变能较小，所以回复软化过程不太明显。蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶界变形以滑动和迁移方式交替进行。晶内滑移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界迁移则使金属软化。由于强化和软化的交替作用，当达到平衡时，就使蠕变速度保持恒定。蠕变发展到第三阶段，由于裂纹迅速扩展，蠕变速度加快3.应力松驰在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的应力随时间增加而减小的现象称应力松驰。（由于金属在长时间高温载荷作用下会产生蠕变，因此，对于在高温下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，

6、如高温管道法兰接头的紧固螺栓、用压紧配合固定于轴上的汽轮机叶片等，可能随时间的延长，在总变形量不变的情况下，弹性变形不断地转变为塑性变形，从而使工作应力逐渐降低，以致失效）。应力松驰可以看作是应力不断降低条件下的蠕变过程，因此，蠕变与应力松驰既有区别又有联系。第二节蠕变变形与断裂机理1.蠕变变形机理（1）位错滑移蠕变（2）扩散蠕变（3）晶界滑动蠕变2.蠕变断裂机理（1）在三晶粒交会处形成的楔形裂纹；（2）在晶界上由空洞形成的晶界裂纹。3.蠕变断裂断口的宏观特征：（1）断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂机件表面

7、出现龟裂现象；（2）由于高温氧化，断口往往被一层氧化膜所覆盖。4.蠕变断裂断口的微观特征：主要为冰糖状花样的沿晶断裂形貌。．裂纹成核分散于晶界上，在较低应力和较高温度下，蠕变裂纹常分散在晶界各处，特别易产生在垂直于拉应力方向的晶界上。这种裂纹成核的过程为：首先由于晶界滑动在晶界的台阶（如经二相质点或滑移带的交截）处受阻而形成空洞。然后由于位错运动产生的大量空位，为了减少其表面能而向拉伸应力作用的晶界上迁移，当晶界上有空洞时，空洞便吸收空位而长大，形成裂纹第三节金属高温力学性能指标及其影响因素1.蠕变极限：金属材料在高温长时间载荷

8、作用下的塑性变形抗力指标。为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要金属材料具有一定的蠕变极限。蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。和常温下的屈服强度σ0.2相似。蠕变极限的表示方式：（1）在规定温度（t）下，使试样产生规定稳态蠕变速