金属力学性能 教学课件 作者 王学武 主编第八单元.ppt

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1、第八单元金属高温力学性能有许多机械零件或构件是在高温下工作的，如高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、航空发动机以及化工厂的反应容器等。这些零构件在高温下工作有时间短则几秒，长则十万小时以上，这些金属零构件在高温下表现出来的力学性能与室温时的性能有很大的差别。因此，金属材料在高温下的力学性能，不能只简单地用常温下短时拉伸时的应力－应变曲线来评定，还必须考虑温度和时间两个因素。本单元将阐述金属材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象，讨论蠕变变形和断裂的机理，介绍高温力学力学性能指标及影响因素，为正确选用高温金属材料和合理制定其热处理工艺提供依据。本单元导读模块一金属的蠕变能力知识点1

2、金属材料在高温下力学性能的特点金属材料在高温下力学性能的特点首先，温度对金属材料的力学性能影响很大。一般随温度升高，强度降低而塑性增加。例如，20钢除了在200℃附近由于出现“蓝脆现象”使抗拉强度Rm比室温下有所增高外，均随温度的上升而下降。其次，金属材料在常温下的静载性能与载荷持续时间关系不大，但在高温下载荷持续时间对力学性能影响则很大。例如，20钢在450℃的瞬间强度为330MPa,在450℃持续300h的持久强度为230MPa，而在450℃持续1000h的持久强度为120MPa。同时，在高温长时间载荷作用下，金属材料的塑性显著降低，缺口敏感性增加，因而高温断裂往住呈脆性破坏现

3、象。设计、选材不当使用用疏忽，将导致工件断裂或由于过量塑性失效，如汽轮机叶片断裂、高温高压管道管径变大、高温高压容器紧固螺栓因应力松弛而造成泄露等。能力知识点2金属蠕变现象一、蠕变现象金属材料在一定的温度和应力作用下，随时间发生缓慢而连续的塑性变形的现象，称为蠕变（Creep），产生蠕变所需的应力，甚至可以小于材料的弹性极限。金属材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变紧密联系的。古代人们就发现，铅放在垂直的位置，有向下缓慢流动的现象；悬挂的铝管子有自身伸长的现象。这些蠕变现象由于当时条件限制没有被人们所重视，1905年菲利普斯发表了橡胶、玻璃及金属丝在恒定的拉应力作用下有缓慢延伸的实

4、验结果，并把伸长值与应力作用时间的关系数学式表达了出来。1910年后，安德雷德等人发表了金属和合金的蠕变、变形的研究报告，于是，更多的学者发表了他们关于蠕变的研究成果。一、蠕变现象蠕变现象的产生由三个方面的因素构成：温度、应力和时间。温度愈高、应力越大、作用时间越长，金属蠕变现象愈明显。对于不同的金属，出现蠕变现象的温度不同，一般在0.3Tm（Tm为以绝对温度表示的熔点）以上时就会出现明显的蠕变。碳钢在300～400℃时，在应力的作用下即能明显地出现蠕变现象，当温度在高于400℃时，即使应力不大，也会出现较大速率的蠕变；合金钢在超过400～450℃时，在一定的应力作用下，就会发生蠕

5、变；而对于铅、锡及它们的合金，在室温条件下也能表现出蠕变现象。一、蠕变现象由于金属蠕变的累积，使金属部件发生过量的塑性变形而不能使用，或者蠕变进入到了加速发展阶段，发生蠕变破裂，均会使部件失效损坏，甚至发生严重事故。所以，对蠕变的研究对长期在高温条件工作的机械零件和构件具有特别重要的意义。例如，锅炉、涡轮发动机、内燃机、火箭及汽轮机等，其热机械构件的选材和设计，都必须考虑材料的蠕变性能，否则将发生破坏性事故。因此，蠕变性能是高温机械设计的主要依据之一。二、蠕变曲线金属材料的蠕变现象可用蠕变曲线来描述，在适当的应力和温度范围，典型的蠕变曲线如图。图中Oa线段是试样在温度t下承受恒定拉

6、应力σ时所产生的起始伸长率，这是一加载就立即产生的应变量，它包括弹性变形和塑性变形两部分，这一应变量当然不应算作蠕变量。。起始伸长率二、蠕变曲线第一阶段ab：是减速蠕变阶段，又称过渡蠕变阶段，这一阶段从曲线的斜率可以看出，开始的蠕变速率很大，随着时间增加，蠕变速率逐渐减小，到b点达到最小值。这一阶段是很短的，不超过几百小时。第二阶段bc：是恒速蠕变阶段，又称稳态蠕变阶段，这一阶段的蠕变速率保持不变。一般所指的金属蠕变速率，都是指的这一阶段而言，否则将毫无意义且无实际应用价值，一般在高温下工作的机件所要求的寿命都设定在蠕变第二阶段。第三阶段cd：是加速蠕变阶段。随着时间增加，蠕变速率

7、越来越快，到d点便蠕变断裂。影响材料蠕变过程的两个最主要参数是温度和应力。当温度降低或者应力减小，都可使蠕变过程减慢，这时可以看到蠕变第二阶段很长，第三阶段甚至可以不出现。反之，当温度升高或者应力增加，第二阶段较短，甚至中间直线部分消失，很快地由蠕变第一阶段过渡到第三阶段。应力和温度对蠕变曲线的影响a)温度恒定（σ1<σ2<σ3<σ4)b）应力恒定(t1