金属材料强度与温度的关系讲课文档.ppt

金属材料强度与温度的关系第一页，共九十二页内容1.金属材料在高温下的力学行为特点2.蠕变3.表征材料高温力学性能的强度指标4.高温强度的影响因素2*第二页，共九十二页1.金属材料在高温下的力学行为特点p由于高温下原子扩散能力的增大，材料中空位数量的增多以及晶界滑移系的改变或增加，使得材料的高温强度与室温强度有很大的不同l考虑材料的高温强度时，除了温度与力学这二个最基本的考虑材料的高温强度时，除了温度与力学这二个最基本的因素之外，还必须考虑时间及介质因素的影响因素之外，还必须考虑时间及介质因素的影响 p在高温条件下材料的变形机制增多，易发生塑性变形，表现为强度降低，形变强化现象减弱，塑性变形增加l强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加 3*第三页，共九十二页p对于大多数碳钢、铬钼钢和奥氏体钢，强度极限随温度的变化大致上可分为三个阶段：l初始阶段、中间阶段和第三阶段初始阶段、中间阶段和第三阶段u在初始阶段温度较低，强度极限随着温度的升高而明显降低u在中间阶段，强度极限随温度升高而缓慢下降u在温度较高的第三阶段，强度极限急剧降低碳钢和某些低合金钢（如Cr-Mo钢、Cr-Mo-V钢）在中间阶段强度极限会出现一个升高的峰值，这是时效硬化所造成的。

峰值温度与材料的蓝脆温度相当4*第四页，共九十二页p碳钢和Cr-Mo钢的伸长率和断面收缩率随温度的变化也可分为三个阶段：l初始阶段、中间阶段和第三阶段初始阶段、中间阶段和第三阶段u在初始阶段，伸长率和断面收缩率随温度升高而逐渐下降；u中间阶段，伸长率和断面收缩率达到一个最低值，然后又开始回升；u到第三阶段，随着温度的升高，伸长率和断面收缩率明显升高5*第五页，共九十二页p在高温条件下，应变速度对材料的强度也有明显的影响l应变速度越高，材料的强度也越高应变速度越高，材料的强度也越高u尽管室温下应变速度对强度也有影响，但在高温下这种影响要大得多6*第六页，共九十二页p由于应变速率的这种影响，为了使高温短时拉伸试验的结果能相互比较，其试验时间必须统一规定l各国在试验标准中都对此作出了严格的要求各国在试验标准中都对此作出了严格的要求7*第七页，共九十二页p材料在高温条件下，承受不同的载荷，其断裂所需的时间也不同l不但断裂所需的时间随着承受的应力增加而缩短，而且断裂的形式也会发生改变不但断裂所需的时间随着承受的应力增加而缩短，而且断裂的形式也会发生改变u晶界强度与晶粒强度随温度增加而下降的趋势不同，在其交点对应温度TS（称为等强温度）以上，材料由穿晶断裂变为沿晶断裂。

u形变速度愈低则TS愈低Ts8*第八页，共九十二页小结l强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加l力学行为及性能与加载持续时间密切相关力学行为及性能与加载持续时间密切相关u在高温下即使承受应力小于该温度下的屈服强度，随着承载时间的增加材料也会产生缓慢而连续的塑性变形，即材料将发生蠕变u在高温下随承载时间的增加塑性会显著下降，材料的缺口敏感性增加，断裂往往呈脆断现象l温度影响材料的微观断裂方式温度影响材料的微观断裂方式l环境介质对材料的腐蚀作用随着温度的升高而加剧，从而影响材料的力学性能环境介质对材料的腐蚀作用随着温度的升高而加剧，从而影响材料的力学性能p因此，材料的室温力学性能不能反映它在高温承载时的行为，必须进行专门的高温性能试验，才能确定材料的高温力学性能p而温度与时间是影响金属高温性能的重要因素，故研究金属高温力学行为必须研究温度、应力和应变与时间的关系9*第九页，共九十二页2.蠕变p金属在一定温度、一定应力（即使小于s）作用下，随着时间的增加而缓慢连续产生塑性变形的现象称为蠕变l蠕变在温度较低时也会发生，但只有在温度高蠕变在温度较低时也会发生，但只有在温度高于于0.3Tf（熔点温度）时才比较明显。

熔点温度）时才比较明显u引起材料蠕变的应力状态可以是简单的（例如单向拉伸、压缩、弯曲），也可能是复杂的；可以是静态的，也可能是动态的10*第十页，共九十二页2.1蠕变曲线的定性分析p蠕变是材料力学性能之一，材料抗蠕变的能力是蠕变强度，用蠕变极限表示p材料抗蠕变断裂的能力用持久强度表示l蠕变极限与持久强度用试验测定，测定出的蠕变曲线可能是恒应力状态，蠕变极限与持久强度用试验测定，测定出的蠕变曲线可能是恒应力状态，也可能是恒温度状态曲线也可能是恒温度状态曲线l无论何种，典型的蠕变曲线都可以分为三个阶段，无论何种，典型的蠕变曲线都可以分为三个阶段， 11*第十一页，共九十二页p不同金属材料在不同条件下得到的蠕变曲线是不同的p同一种金属材料蠕变曲线的形状也随应力和温度不同而不同u但一般而言，各种蠕变曲线差不多都保持着上述三个组成部分，只是各阶段持续时间长短不一左图表示了温度不变时应力对蠕变曲线的影响，右图表示了应力不变时温度对蠕变曲线的影响由图可见，应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段即稳定蠕变阶段延续很长反之则第二阶段可能很短甚至消失这时蠕变只有第一阶段和第三阶段，材料将在短时间内断裂12*第十二页，共九十二页。

p蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑移方式进行l蠕变初期由于攀移驱动力不足，因而滑移造成蠕变初期由于攀移驱动力不足，因而滑移造成的形变强化效应超过攀移造成的回复软化效应，的形变强化效应超过攀移造成的回复软化效应，故变形速率不断降低故变形速率不断降低l蠕变初期可能在晶界台阶处或第二相质点附近蠕变初期可能在晶界台阶处或第二相质点附近形成裂纹核心，也可能由于晶界滑动在三晶粒形成裂纹核心，也可能由于晶界滑动在三晶粒交汇处受阻而形成裂纹核心交汇处受阻而形成裂纹核心13*第十三页，共九十二页p蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移交替方式进行，晶界变形以晶界滑动和迁移交替方式进行l晶内迁移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移晶内迁移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界迁移使金属软化，强化与软化作用达到和晶界迁移使金属软化，强化与软化作用达到动态平衡时，形变速率即保持稳定动态平衡时，形变速率即保持稳定l蠕变第二阶段在应力和空位流同时作用下，裂蠕变第二阶段在应力和空位流同时作用下，裂纹优先在与拉应力垂直的晶界上长大，形成楔纹优先在与拉应力垂直的晶界上长大，形成楔形和孔洞形裂纹形和孔洞形裂纹14*第十四页，共九十二页。

p蠕变第三阶段在由第二阶段后开始连接的楔形与孔洞形裂纹上进一步依靠晶界滑动、空位扩散和孔洞连接而扩展，蠕变速度加快，直至裂纹达到临界尺寸而断裂15*第十五页，共九十二页16*第十六页，共九十二页17*第十七页，共九十二页p一种理想的材料，要求它的蠕变曲线具有很小的起始蠕变（蠕变第一阶段）和低的蠕变速度（蠕变第二阶段），以便延长产生1总变形量所需的时间p同时也要有一个明显的第三阶段，可以预示材料的强度正在消失，断裂时有一定的塑性l蠕变是一个包含许多过程的复杂现象比起室温下的力学性能来蠕变是一个包含许多过程的复杂现象比起室温下的力学性能来材料的蠕变性能对组织结构的变化更为敏感材料的蠕变性能对组织结构的变化更为敏感l所以蠕变曲线的形状往往随着材料的组织状态以及蠕变过程所以蠕变曲线的形状往往随着材料的组织状态以及蠕变过程中所发生的组织结构变化的不同而不相同中所发生的组织结构变化的不同而不相同u例如在高温下会发生相变的某些合金（如Fe20.5W，Ni25.5Mo等），即使在承受拉伸载荷时，也会由于相变时的体积变化而使试件收缩，形成所谓的“负蠕变现象”18*第十八页，共九十二页2.2蠕变曲线的定量分析l关于蠕变曲线的表示方式，关于蠕变曲线的表示方式，u有用蠕变过程中应变或应变速度与时间的关系来表示，u有用应变或应变速度与温度的关系来表示，u还有用应变或应变速度与应力的关系来表示。

有些表达式可同时表达三个阶段的蠕变规律，有的只表示某阶段的蠕变规律u不同的表示方式可获得不同的关系式，目前应用较广的是应变或应变速度与时间的关系19*第十九页，共九十二页2.2.1在给定温度或应力下蠕变与时间的关系pBailey提出适用于第一阶段的公式l （1/3n1/2 ） （1）pMevetly提出适用于第一及第二阶段的公式l （2）u第二阶段为线性关系，上两式中的A、B、C、F均为实验待定常数，为应变，t为时间20*第二十页，共九十二页高温蠕变与低温蠕变pGraham和Walles提出第一及第二阶段公式，在较低温度和较小应力时，第一阶段蠕变公式为：l . （3）l称为称为蠕变或对数蠕变，也称为低温蠕变蠕变或对数蠕变，也称为低温蠕变p当温度较高应力较低时，公式为：l . （4）l称为称为蠕变或高温蠕变，蠕变或高温蠕变，是由应力和温度决定的常数是由应力和温度决定的常数p而第二阶段的蠕变公式为：l （5）l称为称为K蠕变u高温蠕变和低温蠕变并没有严格区分的温度界限，不过前者往往发生在原子扩散速度比较大的情况下，一般以0.5Tf作为界限，在此以上是高温蠕变，以下是低温蠕变按这个温度区分时，低温蠕变也可能有回复现象发生，不过进行的不很充分而已。

21*第二十一页，共九十二页p也有人把蠕变第一阶段看成是较低温度下起主导作用的蠕变和较高温度的以蠕变为主的蠕变的总和，合并式（3）和式（4）可得表示蠕变曲线第一阶段的通式：l .（6）u对蠕变第三阶段的表达式，研究较少虽曾有人提出过一些关系式，但并没有普遍的意义一般认为蠕变的加速阶段没有共同的关系式22*第二十二页，共九十二页2.2.2应力与蠕变速度的关系p研究应力与蠕变速度的关系时多采用恒速蠕变阶段，因为设计时多以第二阶段蠕变速度作为指标这样可使研究简化，并有明确的工程意义p这方面的关系式主要有Garofalo和Finnie根据他们的实验结果提出的应力蠕变速度关系式：23*第二十三页，共九十二页2.2.3温度与蠕变速度的关系p温度对蠕变有重要影响，进行蠕变试验时必须精确测量与控制温度随着温度升高，蠕变速度增大许多人提出过温度与恒速蠕变的变形量或蠕变速度的关系式lMott式：式： lDorn式：式：lZener-Holloman式：式：24*第二十四页，共九十二页2.3金属材料在蠕变中的组织变化p2.3.1晶体结构l晶体结构不同原子自扩晶体结构不同原子自扩散能力也不同，蠕变速散能力也不同，蠕变速度即随之发生变化。

纯度即随之发生变化纯铁在相同温度下体心立铁在相同温度下体心立方的扩散能力大于面心方的扩散能力大于面心立方，所以低碳钢在温立方，所以低碳钢在温度超过相变点时蠕变速度超过相变点时蠕变速度会发生突变度会发生突变 25*第二十五页，共九十二页p金刚石结构的元素原子自扩散系数较小，因此Ge、Si具有较高的高温强度p除晶体结构对原子自扩散能力有影响外，反映原子结合能力的金属熔点对扩散也有很大影响p高熔点金属扩散系数小，所以高温材料多添加高熔点元素，如W、Mo、V、Ta、Nb、Ni、Cr等26*第二十六页，共九十二页2.3.2亚晶p多晶体的实际变形是不均匀的u试验表明纯铝在3501.37MPa外加应力下经9.5h产生的总蠕变伸长量为18.6，但每个晶粒的蠕变伸长量是不相同的小的仅为15，而大的有36p由于蠕变过程中变形的不均匀性，到一定程度原始晶粒会被形变交错组成的狭窄形变带分割成很多位向略有差异的小晶粒，即形成亚晶l蠕变的第一阶段和第二阶段均可形成亚晶蠕变的第一阶段和第二阶段均可形成亚晶27*第二十七页，共九十二页2.3.2亚晶p亚晶尺寸随温度升高和应力降低而增大，尺寸增大到一定程度后将不再变化亚晶界就是位错墙，是位错密度很高的位错胞壁。

u亚晶的形成过程相当于在应力作用下的多边化过程，需要位错的交错滑移和攀移p亚晶本身是比较稳定的，但是亚晶的相对转动会引起蠕变，因而就整个材料而言，具有亚晶的材料比较容易。