金属材料力学性能

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1、材料力学性能裴立宅材料科学与工程学院Email:lzpei1977@163.com,lzpei@ahut.edu.cn9/17/20211安徽工业大学材料科学与工程学院第八章金属高温力学性能9/17/20212安徽工业大学材料科学与工程学院在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机等设备中，很多机件长期在高温下服役。对于这类机件的材料，只考虑常温时静载时的力学性能是不够的。温度、在高温下载荷持续的时间对材料的力学性能影响很大。如化工设备中的高温高压管道，虽然承受的应力小于该工作温下的屈服强度，但在长期使用过程中会产生连续的塑性变形，即蠕变现象，使管径逐步增大，如果选材

2、、使用不当，会导致管道破裂。9/17/20213安徽工业大学材料科学与工程学院高温下钢的抗拉强度随着载荷作用的时间增加而降低。在高温短时载荷作用下，金属材料塑性增加。在高温长时载荷作用下，金属材料的塑性降低，缺口敏感性增加，呈现脆性断裂。温度、时间的联合作用会影响材料的断裂路径。9/17/20214安徽工业大学材料科学与工程学院9/17/20215安徽工业大学材料科学与工程学院温度的“高”或“低”是相对于该金属的熔点来讲的，一般采用“约比温度（T/Tm）”更为合理。T/Tm>0.5，称为高温T/Tm≤0.5，称为低温本章主要介绍材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象，讨论

3、蠕变变形和断裂机理、高温力学性能指标与影响因素。9/17/20216安徽工业大学材料科学与工程学院第一节金属的蠕变现象定义：材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象，由于这种高温蠕变变形导致的断裂，称为蠕变断裂。9/17/20217安徽工业大学材料科学与工程学院按照蠕变速率的变化，曲线可分为三个阶段：第一阶段：减速蠕变阶段，又称过渡蠕变阶段；第二阶段：恒速蠕变阶段，又称稳态蠕变阶段，一般所指金属的蠕变速率，就是这一阶段的蠕变速率；第三阶段：加速蠕变阶段9/17/20218安徽工业大学材料科学与工程学院同一材料的蠕变曲线随温度高低、应力的大小而有所不同由

4、于金属在长时高温载荷下会产生蠕变现象，对于在高温下工作，依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，如高温管道内用的螺栓等，就可能随着时间的延长，在总变形量不变的前提下，弹性变形变为塑性变形，从而使工作应力降低，以致失效。这种在温度及初始应力一定时，材料中的应力随着时间增加而减小的现象称为应力松弛。9/17/20219安徽工业大学材料科学与工程学院第二节蠕变变形与蠕变断裂机理一、蠕变变形机理（一）位错滑移蠕变（二）扩散蠕变（一）位错滑移蠕变常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移就不能进行，只有在更大的切应力作用下位错重新运动和增殖。但在高温下，位错可借助于外界提供

5、的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍，从而使材料变形。9/17/202110安徽工业大学材料科学与工程学院高温下热激活过程主要是刃型位错的攀移塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移面上运动，或与异号位错相遇对消、或形成亚晶界、或被晶界吸收。当塞积群中某一位错被激活发生攀移时，位错源便可能再次放出一个位错，从而形成动态回复过程，蠕变得以不断发展。蠕变第一阶段，由于蠕变变形逐步产生应变硬化，使位错源移动的阻力及位错滑移的阻力逐渐增大，使得蠕变速率不断降低。蠕变第二阶段，由于应变硬化的发展，促进了动态回复的进行，使金属不断软化。当应变硬化与回复软化达到平衡时，蠕变

6、速率为常数。9/17/202111安徽工业大学材料科学与工程学院（二）扩散蠕变是高温下大量原子与空位定向移动造成的材料未受外力时，原子和空位的移动没有方向性，宏观上不显示塑性变形材料两端受拉应力作用时，多晶内部产生不均匀的应力场承受拉应力的晶界，空位浓度增加承受压应力的晶界，空位浓度减小这种晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移，原子朝相反的方向运动，使得晶体伸长的蠕变，称为扩散蠕变。9/17/202112安徽工业大学材料科学与工程学院二、蠕变断裂机理金属材料在高温长载荷作用下的断裂，一般为沿晶断裂，这是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展引起的。在不同温度及应力条件下

7、，晶界裂纹的形成方式有两种：1.在三晶粒交会处形成楔形裂纹2.在晶界上由空洞形成晶界裂纹9/17/202113安徽工业大学材料科学与工程学院1.在三晶粒交会处形成楔形裂纹这是在高应力和低温下，由于晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞相互连接形成楔形裂纹9/17/202114安徽工业大学材料科学与工程学院2.在晶界上由空洞形成晶界裂纹这是较低应力和较高温度下产生的裂纹，这种裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动产生空洞，这些空洞长大并连接，就形成裂纹由于蠕变断裂主要在晶界上产生，所以晶界的形态、晶界上的析出物和