金属高温力学性能教学课件PPT材料力学性能.ppt

第八章第八章 金属高温力学性能金属高温力学性能一、举例：一、举例：2020钢在不同温度下的力学性能钢在不同温度下的力学性能Ø淬火＋低温回火后抗拉强度淬火＋低温回火后抗拉强度1530MPa；；Ø450℃℃时测量的抗拉强度是时测量的抗拉强度是320MPa；；Ø在在225MPa载荷作用载荷作用300后小时断裂；后小时断裂；Ø在在115Mpa载荷作用载荷作用10000小时断裂；小时断裂；&总结：总结：1、温度对材料的学性能有影响；、温度对材料的学性能有影响； 2、载荷持续时间对材料性能也有影响；、载荷持续时间对材料性能也有影响；温度＋时间＋载荷决定材料高温行为温度＋时间＋载荷决定材料高温行为2 高温对金属力学性能的影响有以下几个方面：高温对金属力学性能的影响有以下几个方面：（（1）在低应力条件下使用，金属材料将产生缓慢）在低应力条件下使用，金属材料将产生缓慢而连续的塑性变形，即蠕变现象；（而连续的塑性变形，即蠕变现象；（2）高温短时）高温短时载荷作用下，金属塑性增加长时载荷作用下，由载荷作用下，金属塑性增加长时载荷作用下，由于产生永久性塑性变形（蠕变变形），塑性将显著于产生永久性塑性变形（蠕变变形），塑性将显著降低，往往呈脆性断裂；（降低，往往呈脆性断裂；（3）高温下金属断裂方）高温下金属断裂方式由常温的穿晶断裂逐渐过渡到沿晶断裂，临界温式由常温的穿晶断裂逐渐过渡到沿晶断裂，临界温度称为度称为“等强温度等强温度”。

3温度和时间对断裂形式的影响温度和时间对断裂形式的影响 温度升高时，晶粒强度和晶界强度都要降低温度升高时，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，晶界强度下降较快进行，因此，晶界强度下降较快 晶粒与晶界两者强度相等的温度称为晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度等强温度”TE材料的材料的TE不是固定不变的，变形速率对它有较大影不是固定不变的，变形速率对它有较大影响因晶界强度对形变速率敏感性要比晶粒大得多，响因晶界强度对形变速率敏感性要比晶粒大得多，因此因此TE随变形速度的增加而升高随变形速度的增加而升高45二、材料在二、材料在高温长时载荷高温长时载荷作用下的力学行为作用下的力学行为1、产生缓慢而连续的的塑性变形、产生缓慢而连续的的塑性变形——蠕变变形；蠕变变形；2、塑性、塑性↓，缺口敏感性，缺口敏感性↑，一般脆性断裂；，一般脆性断裂；6金属及陶瓷的蠕变现象金属及陶瓷的蠕变现象7 在讨论金属高温力学性能时，通常使用试在讨论金属高温力学性能时，通常使用试验温度验温度T与金属熔点与金属熔点Tm的比值的比值T/Tm（称（称“约比约比温度温度”），）， T/Tm ＞＞0.5 时为高温，时为高温，T/Tm ＜＜0.5 时为低温。

金属的再结晶温度在时为低温金属的再结晶温度在0.4 ~ 0.5 Tm，，也就是说使用温度超过再结晶温度即可认为高也就是说使用温度超过再结晶温度即可认为高温8§8－－1 金属的蠕变金属的蠕变一、蠕变现象：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓一、蠕变现象：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓 慢产生的塑性变形慢产生的塑性变形2 2、产生条件：约比温度、产生条件：约比温度T/Tm >0.3 T/Tm >0.3 热力学温度热力学温度T T ——试验温度试验温度TmTm——熔点温度熔点温度1 1、蠕变曲线：减速蠕变、蠕变曲线：减速蠕变→→稳态蠕变稳态蠕变→→加速蠕变加速蠕变910&水平提高：蠕变各阶段的本质水平提高：蠕变各阶段的本质v蠕变将产生应变硬化，使蠕变将产生应变硬化，使位错开动的阻力逐渐增大，位错开动的阻力逐渐增大，因此第一阶段蠕变速率逐因此第一阶段蠕变速率逐渐降低v应变硬化发展到一定程度，应变硬化发展到一定程度，在温度作用下将发生回复在温度作用下将发生回复现象，使金属不断软化现象，使金属不断软化 最终，当应变硬化和动态回复平衡时，蠕变速率为最终，当应变硬化和动态回复平衡时，蠕变速率为一常数，蠕变进入恒速蠕变阶段。

一常数，蠕变进入恒速蠕变阶段113 3、应力松弛、应力松弛 材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛应力逐渐降低的现象称为应力松弛应力松弛现象应力松弛现象应力松弛曲线应力松弛曲线初始应力初始应力σ0松弛应力松弛应力σs0剩余应力剩余应力σsh&提示：提示：剩余应力值高，说明材料有较好的剩余应力值高，说明材料有较好的 松弛稳定性松弛稳定性12应力和温度对蠕变曲线的影响应力和温度对蠕变曲线的影响等温曲线（等温曲线（ 4 >  3 >  2 >  1））等应力曲线（等应力曲线（T4 > T3 > T2 > T1））13二、蠕变变形机理二、蠕变变形机理1 1、位错滑动、位错滑动Ø 位错激活方式：刃型位位错激活方式：刃型位错攀移、螺型交滑移、位错攀移、螺型交滑移、位错环分解合并等错环分解合并等攀移过程示意图攀移过程示意图空位空位14位错滑移位错滑移蠕变机理蠕变机理: : 材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起的，在材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起的，在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动到一定程度后，一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就不能继续滑移，也就是只能位错运动受阻发生塞积，就不能继续滑移，也就是只能产生一定的塑性变形．产生一定的塑性变形． 在常温下在常温下，滑移面上位错运动受阻，产生塞积现象，，滑移面上位错运动受阻，产生塞积现象， 滑移便不能进行。

滑移便不能进行 在高温在高温下，温度的升高，给原子和空位提供了热激活下，温度的升高，给原子和空位提供了热激活 的可能，使得位错可以克服某些障碍得以的可能，使得位错可以克服某些障碍得以 运动，继续产生塑性变形运动，继续产生塑性变形152 2、扩散蠕变（晶内）、扩散蠕变（晶内）CD处受压应力，处受压应力，空位浓度低空位浓度低AB处受拉应力，处受拉应力，空位浓度高空位浓度高空位空位扩散扩散原子原子扩散扩散物质迁移的过程物质迁移的过程→变形变形晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩163 3、晶界滑动、晶界滑动Ø高温状态下晶界上原子容易扩散，受力后晶界易滑高温状态下晶界上原子容易扩散，受力后晶界易滑动，对蠕变产生贡献动，对蠕变产生贡献Ø晶界滑动蠕变占总蠕变量的比例为晶界滑动蠕变占总蠕变量的比例为1010％左右；％左右；晶粒晶粒越小越小，滑动对蠕变的，滑动对蠕变的贡献越大贡献越大总结：总结：1 1、蠕变第一阶段和第三阶段变形、蠕变第一阶段和第三阶段变形以以滑移为主；滑移为主；2 2、蠕变第二阶段除滑移外还有原子扩散贡献；、蠕变第二阶段除滑移外还有原子扩散贡献；17三、蠕变断裂机理三、蠕变断裂机理1、晶界楔形裂纹模型、晶界楔形裂纹模型Ø蠕变温度下，恒载荷使位于最蠕变温度下，恒载荷使位于最大切应力方向的晶界滑动，在大切应力方向的晶界滑动，在三晶粒交界处形成应力集中。

三晶粒交界处形成应力集中Ø应力集中若不能被晶粒的塑性变形或晶界的迁移应力集中若不能被晶粒的塑性变形或晶界的迁移所松弛，当其达到晶界的结合强度时，在三晶粒所松弛，当其达到晶界的结合强度时，在三晶粒交界处发生开裂，形成交界处发生开裂，形成楔形裂纹楔形裂纹182 2、晶界空洞裂纹模型、晶界空洞裂纹模型Ø晶界滑动与晶内滑移带晶界滑动与晶内滑移带交割形成空洞；交割形成空洞；Ø晶界滑动与第二相质点晶界滑动与第二相质点作用形成空洞；作用形成空洞；193、断口特征、断口特征 蠕变断裂主要发生在晶界上，其断口宏蠕变断裂主要发生在晶界上，其断口宏观特征表现为：观特征表现为：①①断口附近产生塑性变形，断口附近产生塑性变形，并有很多裂纹；并有很多裂纹；②②断口表面有一层氧化膜断口表面有一层氧化膜断口的微观特征主要表现为冰糖状断裂形貌断口的微观特征主要表现为冰糖状断裂形貌20§8－－2 金属高温力学性能金属高温力学性能一、蠕变极限：一、蠕变极限：1、含义：材料在高温恒载作用下对塑性变形的抗力、含义：材料在高温恒载作用下对塑性变形的抗力2、表示方法、表示方法（（1）） 规定温度下，使试样产生规定稳态蠕规定温度下，使试样产生规定稳态蠕 变速率的最大应力。

变速率的最大应力2）） 规定温度，规定时间，使试样产生规定总规定温度，规定时间，使试样产生规定总 伸长率的最大应力伸长率的最大应力21举例：蠕变极限举例举例：蠕变极限举例1、2、223 3、蠕变极限测定、蠕变极限测定（（1 1）在同一温度下，不同应力水平下进行蠕变试验，）在同一温度下，不同应力水平下进行蠕变试验， 获得不同应力条件下的稳态蠕变速度（获得不同应力条件下的稳态蠕变速度（ ）；）；（（2 2）在双对数坐标中绘制应力）在双对数坐标中绘制应力——稳态蠕变速率曲线稳态蠕变速率曲线 (σ(σ—— 曲线曲线) ) ；；（（3 3）用图解外推法获得规定较小蠕变速率下的蠕变）用图解外推法获得规定较小蠕变速率下的蠕变 极限极限 ；；232425二、持久强度极限二、持久强度极限1 1、持久强度：材料在一定的温度下和规定的时间内，、持久强度：材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力不发生蠕变断裂的最大应力2 2、表示方法：、表示方法：举例：263 3、持久强度的应用、持久强度的应用 某些在高温下工作的机件，不考虑变形量的大小，某些在高温下工作的机件，不考虑变形量的大小，只要求机件在使用期内不发生断裂。

只要求机件在使用期内不发生断裂274 4、持久强度测量：高温拉伸持久试验、持久强度测量：高温拉伸持久试验→→外推法外推法28持久强度的测定持久强度的测定 持久强度一般通过作持久试验测定，只要测定持久强度一般通过作持久试验测定，只要测定试样在给定温度和一定应力作用下的断裂时间试样在给定温度和一定应力作用下的断裂时间1）对于设计寿命为数百至数千小时的机件，可以）对于设计寿命为数百至数千小时的机件，可以直接用同样时间的试验来确定直接用同样时间的试验来确定29持久强度的测定持久强度的测定（（2））对对于于设设计计寿寿命命为为数数万万以以至至数数十十万万小小时时的的机机件件，，一一般般做做出出一一些些应应力力较较大大、、断断裂裂时时间间较较短短的的试试验验数数据据，，画画在在 lgt-lg 坐坐标标图图上上，，联联成成直直线线，，用用外外推推法法（（时时间间不不超超过过一一个个数数量量级级））求求出出数数万万以以至至数数十十万万小小时时的的持持久强度 由由持持久久强强度度试试验验，，测测量量试试样样在在断断裂裂后后的的伸伸长长率率及断面收缩率，还能反映出材料在高温下持久塑性。

及断面收缩率，还能反映出材料在高温下持久塑性30三、剩余应力三、剩余应力 金属在长时间高温载荷作用下会产生蠕变，原来的金属在长时间高温载荷作用下会产生蠕变，原来的弹性变形逐渐转变为塑性变形，使工作应力逐渐降低，弹性变形逐渐转变为塑性变形，使工作应力逐渐降低，这种现象称为应力松弛工作应力在松弛过程中任一时这种现象称为应力松弛工作应力在松弛过程中任一时间所保持的应力称为剩余应力，以间所保持的应力称为剩余应力，以σr 初始工作应力与初始工作应力与剩余应力之差称为松弛应力，以剩余应力之差称为松弛应力，以σre表示31四、提高蠕变极限和持久强度的主要途径四、提高蠕变极限和持久强度的主要途径1、增大位错移动和晶界滑移的阻力、增大位错移动和晶界滑移的阻力（（1）在等强温度）在等强温度TE以下、应变速率较大时，金属蠕变以下、应变速率较大时，金属蠕变变形以滑移为主，这时对金属对变形和强化因素的考变形以滑移为主，这时对金属对变形和强化因素的考虑与室温时相同虑与室温时相同32四、提高蠕变极限和持久强度的主要途径四、提高蠕变极限和持久强度的主要途径1、增大位错移动和晶界滑移的阻力、增大位错移动和晶界滑移的阻力（（2）在）在TE以上、应变速率较小时，金属蠕变变形以原以上、应变速率较小时，金属蠕变变形以原子扩散为主。

从扩散蠕变考虑，应该选择高熔点、具子扩散为主从扩散蠕变考虑，应该选择高熔点、具有密排结构的金属材料；从阻碍位错移动考虑，应选有密排结构的金属材料；从阻碍位错移动考虑，应选择层错能低、形成固溶体、含有弥散相的合金择层错能低、形成固溶体、含有弥散相的合金332、消除有害杂质元素、消除有害杂质元素 杂质元素，如杂质元素，如S, P, Pb, Sb, Sn 等，在晶界上等，在晶界上集聚后导致晶界强度降低，高温性能急剧下降非集聚后导致晶界强度降低，高温性能急剧下降非金属夹杂物和冶金缺陷（气孔）也会严重降低材料金属夹杂物和冶金缺陷（气孔）也会严重降低材料的高温性能的高温性能 如果冶炼时加入适量的如果冶炼时加入适量的B 和稀土元素，能够和稀土元素，能够增加晶界扩散激活能，既可以阻碍晶界滑移，又可增加晶界扩散激活能，既可以阻碍晶界滑移，又可以增大形成晶界裂纹的表面能，因此可以提高高温以增大形成晶界裂纹的表面能，因此可以提高高温性能343、定向凝固技术、定向凝固技术 由于与应力垂直的晶界上蠕变裂纹优先成核，由于与应力垂直的晶界上蠕变裂纹优先成核，近年来采用定向凝固技术获得粗大的柱状晶，使用近年来采用定向凝固技术获得粗大的柱状晶，使用使使受力方向平行于柱晶取向，可提高其高温性能。

使使受力方向平行于柱晶取向，可提高其高温性能。