金属高温力学性能

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,/37,1,/37,第八章 金属高温力学性能,历史背景：,(1),古代，人们发现悬挂的铅管自身伸长现象。,(2)1905,年菲利普斯发表关于金属丝、橡胶、玻璃在恒定拉应力作用下缓慢延伸的实验结果。,2,/37,(3)1922,年狄根逊提出，在相当长时间内承受应力时，尤其是在高温下，任何材料在低于,b,(,室温或试验温度,),时也会发生破坏,蠕变的研究。,现当代：,火箭发动机、汽轮机、石油化工机械等发展,高温,(T),、长期,(t),。,3,/37,一、温度对金属材料机械性能影响,1,、通常金属的变形抗力随温度而：随,T,、,HB,。,2,、原因,晶格阻力下降，原子活动能力提高。,(1),位错运动障碍；,(2),位错运动方式：交滑移、攀移；,(3),存在回复、再结晶等软化机制；,(4),存在晶界运动等形变机制。,4,/37,二、时间对金属材料力学性能的影响,高温下力学性能与载荷持续时间关系很大。,例如：钢的,b,随载荷持续时间而。,故：,(1),常温下研究时：应力应变曲线。,(2),高温下研究时：应力应变,+,温度,+,时间,。,5,/37,三、温度和时间对断裂路径的影响,温度,T,，载荷,t,，断裂由穿晶断裂过渡到沿晶断裂。,原因：随温度,T,，晶界强度下降速度快于晶内强度的下降。,6,/37,四、等强温度,(T,E,),概念,晶粒与晶界两者强度相等的温度，称为,等强温度,。,TT,E,时，沿晶断裂。,7,/37,图,8-1,温度和变形速率对金属断裂路径的影响,(a),等强温度,TE (b),变形速率对,TE,的影响,晶界强度对变形速度的敏感性比晶内强度大，所以，变形速率，,T,E,。,8,/37,(1),当约比温度,0.5,时,高温状态。,(2),当约比温度,0.3,时须考虑。,2,、,蠕变断裂：,由蠕变而最后导致材料的断裂。,8.1,金属的蠕变现象,10,/37,3,、蠕变曲线,图,8-2,典型蠕变曲线,11,/37,(1),第一阶段：减速蠕变阶段,也称过渡蠕变阶段、初级蠕变或第一阶段蠕变，,Primary creep,。加工硬化占主体。,以晶内滑移和晶界滑动方式产生变形。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大，晶格畸变不断增加，造成,形变强化,。在高温下，位错虽可通过攀移形成亚晶而产生回复软化，但位错攀移的驱动力来自晶格畸变能的降低。在蠕变初期由于晶格畸变能较小，所以回复,软化过程,不太明显。,12,/37,(2),第二阶段：恒速蠕变阶段,也称稳态蠕变阶段、第二阶段蠕变或二级蠕变，,secondary creep,。加工硬化与回复等软化机制作用相等。,晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶界变形以滑动和迁移方式交替进行。晶内滑移和晶界滑动使,金属强化,，但位错攀移和晶界迁移则使,金属软化,。由于强化和软化的交替作用，当达到平衡时，就使蠕变速度保持恒定。,13,/37,(3),第三阶段：加速蠕变阶段,随,，蠕变速率，直至蠕变断裂。,也是一个裂纹形成和扩展的过程。,由于裂纹迅速扩展，蠕变速度加快。当裂纹达到临界尺寸便产生蠕变断裂。,14,/37,注：同一材料的蠕变曲线随应力、温度而变。,图,8-3(a),恒温改变应力；,(b),恒应力下改变温度,15,/37,1,、蠕变的变形机制,(1),常温下：位错的增殖与运动产生塑性变形位错运动受阻变形停止。,(2),但在高温下：外界提供热激活能，促进原子扩散位错持续运动产生了蠕变变形。,8.2,蠕变变形与蠕变断裂机制,16,/37,(1),位错滑移蠕变,变形时，温度升高，原子扩散加剧，促进位错攀移引起动态回复，形成亚晶，导致位错运动阻力下降，从而可以进一步蠕变变形，动态回复起主要作用。,图,8-4,刃型位错攀移克服障碍的模型,17,/37,(2),扩散蠕变,在更高温度,(,甚至接近于,T,m,时,),原子扩散进一步加剧较多数量的原子,(,空位,),直接发生迁移性扩散扩散蠕变。,图,8-5,扩散蠕变模型,18,/37,(3),扩散蠕变的协调机制,-,晶界滑动,多晶体材料中原子受压的晶界向受拉晶界扩散，结果使每一个晶粒都独立发生变形，向拉应力方向伸长。这种晶粒形状的变化必须通过晶界滑动来协调，否则就会在受压晶界形成空隙。,图,8-6,晶界滑动,19,/37,图,8-7,晶界滑动的协调机制,20,/37,晶界滑动使晶粒,2,的上半部分向左移动而下半部分向右移动。在,1/2,晶界上物质堆积而,2/3,晶界上产生空隙。必须通过晶粒,2,中心附近的滑移造成塑性流动来消除，即通过晶内塑性变形来协调晶界滑动。,21,/37,(4),高温塑性变形机制图,单晶体的高温蠕变机制主要包括,位错滑移,、,攀移,和,扩散蠕变,。,在高温下，由位错和空位控制的蠕变机制，由于应变速率、应力和温度的不同，又存在不同的形式。包括热激活滑移机制、位错芯区扩散控制的低温位错攀移蠕变、晶格点阵扩散控制的高温位错攀移蠕变、晶格扩散控制的,N-H,蠕变和晶界扩散控制的,Coble,蠕变。,22,/37,对于给定的材料，在一定温度,/,应力下某一变形机制占优势，当温度,/,应力条件改变时变形机制也可能发生变化。,换句话说，在一定温度,/,应力下可能有多种变形机制起作用，如位错攀移蠕变和空位扩散蠕变同时发生，但温度高、应力低时扩散蠕变所产生的应变量比攀移蠕变产生的应变量大，此时“占优势”的机制是扩散蠕变。材料的,变形机制图,就是该材料在给定的温度,/,应力下占优势的变形机制及变形速率的图示。,23,/37,图,8-8,纯镍的应力,-,温度变形机制图,24,/37,2,、蠕变断裂机制,主要是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的，宏观上为典型的脆性破坏。,(1),机制一：在三晶粒交会处形成楔形裂纹高应力，较低温度下，晶界滑动在三晶粒交汇处受阻应力集中形成空洞相互连接形成楔形裂纹长大引起断裂,(,晶界,),。,25,/37,图,8-9,三岔晶界处形成楔形裂纹,(2),机制二：在晶界上由空洞形成晶界裂纹,较低应力，较高温度下，当晶界受垂直拉应力作用时，周围晶界或晶粒内部的空穴聚集于此晶界，形成空洞核心空洞超过临界尺寸,(r),而稳定存在长大引起断裂。,26,/37,图,8-10,晶界滑移形成空洞示意图,27,/37,一、蠕变极限,蠕变极限：,是金属材料在高温长期载荷作用下的塑性变形抗力指标。,蠕变极限的表示方法之一：,在给定的温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力。,8.3,金属高温力学性能指标及其影响因素,600,110,-5,%/h,28,/37,蠕变极限的表示方法二：,在给定温度,t,和规定时间,(,小时,),内，使试样产生规定蠕变变形量,的最大应力。,500,100000h,总伸长量为,1%,29,/37,二、持久强度极限,蠕变极限：,高温长期载荷下对塑性变形的抗力,(,考虑了变形量,),。,持久强度极限：,高温长期载荷下对断裂的抗力,(,不考虑变形量,),，指的是在给定温度,t,下，达到规定的持续时间,而不发生断裂的最大应力，以,MPa,表示。,30,/37,31,/37,三、剩余应力,1,、应力松弛定义,具有恒定总变形的试件中，随着时间的延长自行减低应力的现象，称为,应力松弛；,材料抵抗应力松弛的性能称为,松弛稳定性,。,图,8-11,金属应力松弛曲线,松弛应力,剩余应力,32,/37,(1),剩余应力,sh,是评定金属材料松弛稳定性的指标。剩余应力愈高，松弛稳定性愈好。,(2),松弛稳定性可用以评价材料在高温下的预紧能力。,33,/37,2,、蠕变与松弛过程比较,蠕变：,应力保持不变，塑性变形和总变形随时间延长而增大。,松弛：,总应变量保持不变，随时间延长，塑性变形不断取代弹性变形，使弹性应力不断降低。,蠕变和松弛在本质上并无区别，松弛现象可看成是一种在应力不断减少条件下的蠕变过程；通常蠕变抗力高的材料，应力松弛抗力一般也高。,34,/37,四、影响金属高温力学性能的主要因素,1,、合金化学成分的影响,(1),熔点高，自扩散激活能大，层错能低的金属或合金，蠕变极限。,(2),加入,Cr,，,Mo,，,W,，,Nb,，使固溶强化，层错能，扩散激活能，蠕变极限。,(3),加入合金元素，生成弥散相，阻碍滑移和攀移，高温强度。,35,/37,(4),加入,B,，,Re,等，晶界扩散激活能，阻碍晶界滑动，晶界裂纹表面能，高温强度。,2,、冶炼工艺的影响,(1),杂质元素和气体含量，晶界偏聚，晶界弱化作用。,(2),定向凝固，横向晶界。例：汽轮机叶片。,36,/37,3,、热处理工艺的影响,(1),珠光体耐热钢：正火温度，使碳化物充分均匀溶解于,A,；回火应高于使用温度,100-150,，组织稳定性。,(2)A,耐热钢：固溶，时效，使碳化物沿晶界呈断续链状析出。,(3),形变热处理改变晶界形状,(,形成锯齿状,),，在晶内造成多边化的亚晶。,37,/37,4,、晶粒度的影响,TTE,，粗晶粒钢强度高。,采用适当的晶粒度，例,2-4,级，因为晶粒太大，,，,A,k,例如：,A,耐热钢取,2,4,级，且晶粒度要均匀。,