第八章金属高温力学性能.doc

第八章 金属高温力学性能对长期在高温条件下工作的金属机件，如果仅考虑常温短时静载下的力学性能显然是不够的这是因为温度对金属材料的力学性能影响很大1、 一般随温度升高，金属材料的强度降低而塑性增加2、 如果不考虑环境介质的影响，则可认为材料的常温静载力学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有很大影响①在高温高压条件下工作的金属机件，虽然所承受的应力小于工作温度下的屈服强度，但在长期使用过程中，会产生缓慢而连续的塑性变形，可能最终导致断裂-蠕变②高温下钢的抗拉强度随载荷持续时间的延长而降低③在高温短时拉伸时，材料的塑性增加；但在长时载荷作用下，金属材料的塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂强度 TE 温度④温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路径3、 等强温度随试验温度的升高，金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂过渡到沿晶断裂原因：温度升高时，晶粒强度和晶界强度都降低，（见右图）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率的增加而升高。

这是由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶粒大得多综上所述，金属材料在高温下的力学性能，不能简单地用常温短时拉伸的应力－应变曲线来评定，还必须加入温度和时间两个因素，研究温度、应力、应变与时间的关系，才能建立评定金属材料高温；力学性能指标必须指出的是，这里所指温度的高低是相对于该金属的熔点而言的故采用“约比温度”（t/tm，t为试验温度，tm为金属熔点，均为绝对温度）当t/tm >0.5时，为“高温”；反之则为“低”温对于不同的金属材料，在同样的约比温度下，其蠕变行为相似，因而力学性能变化规律也是相同的第一节 金属的蠕变现象一、蠕变的定义金属在长时间恒温、恒载荷（即使应力小于该温度下的屈服强度）作用下缓慢地产生塑性变形的现象因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低温下也会产生，但只有当约比温度大于0.3时才比较显著如碳钢超过300℃、合金钢超过400℃时就必须考虑蠕变的影响二、金属的蠕变过程金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线如下图所示 d 应变 c ba 第二阶段 第三阶段 时间第一阶段ab是减速蠕变阶段（又称过渡蠕变阶段）。

这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长，蠕变速率逐渐减小，到b点蠕变速率达到最小值第二阶段bc是稳态蠕变阶段这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变，因而又称为恒速蠕变阶段一般所指的蠕变速率就是这一阶段的变形速率，用ε.表示第三阶段cd阶段是加速蠕变阶段随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，至d点产生蠕变断裂不同材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的，同一种材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而异在恒定温度下改变应力，或在恒定应力下改变温度，蠕变曲线的变化如图8-3所示由图可见，当应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，甚至可能不产生第三阶段，相反，当应力较大或温度较高时，蠕变第二阶段很短，甚至完全消失，试样将在很短时间内断裂由于金属在长时高温应力作用下会产生蠕变，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，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气轮机叶轮等，就可能随时间的延长，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，以致失效这种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为应力松弛可以将应力松弛现象看成是应力不断降低条件下的蠕变过程。

因此，蠕变与应力松弛既有区别又有联系第二节 蠕变变形与断裂机理一、蠕变变形机理1、位错滑移蠕变2、扩散蠕变3、晶界滑动蠕变二、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三、断口特征： 宏观特征：断口附近有很多裂纹，表面出现龟裂；断口表面有氧化膜 微观特征：冰糖状花样的沿晶断裂第三节 金属高温力学性能指标及其影响因素为保证金属机件在高温下长时承受载荷而不致产生过量变形或断裂，需要制定变形抗力与断裂抗力指标一、蠕变极限1、 定义：金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标2、 表示：蠕变极限一般有两种表示方法① 在规定温度（t）下，使试样产生规定稳态蠕变速率的最大应力，用σεt表示② 在规定温度（t）下和在规定的试验时间（τ）内，使试样产生一定蠕变总伸长率（δ）的最大应力，用符号σδ/τt表示3、 选取：若蠕变速率大而服役时间短，可取①表示方法反之，服役时间长，则取②表示方法4、 测试：略二、持久强度极限1、 定义：在规定温度（t）下，（恰好）达到规定的持续时间（τ）而不发生断裂的最大应力用στt表示2、 选取：对于设计某些在高温运转过程中不考虑变形量大小，而只考虑在承受给定应力下使用寿命的机件，一般选取持久强度。

3、 测试：略三、剩余应力1、 松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性2、 金属的松弛曲线：在规定温度下，对试样施加载荷，保持初始变形恒定，测定试样上的应力随时间延长而降低的曲线图8-143、 剩余应力：应力松弛试验中任一时间试样上所保持的应力是评定金属材料应力松弛稳定性的指标4、 松弛应力：试样上所减少的应力，即初始应力与剩余应力之差，用σso 四、影响金属高温力学性能的主要因素1、 合金化学成分：加入熔点高的合金元素，含有能形成弥散相的合金元素、能增加晶界扩散激活能的元素（硼、稀土）2、 冶炼工艺：尽量减少夹杂物和某些冶金缺陷3、 热处理工艺的影响：不同钢种其热处理工艺不同4、 晶粒度的影响：影响很大使用温度<等强温度时，细晶粒有较高的强度使用温度>等强温度时，粗晶粒有较高的强度太低会降低塑性和韧性，随合金成分及工作条件不同有一最佳晶粒度范围晶粒度不均匀会显著降低其高温性能第四节 其它高温力学性能一、 高温短时拉伸性能二、 高温硬度4。