材料力学性能第八章-金属高温力学性能.

第八章金属高温力学性能主要内容金属蠕变现象金属高温力学行为蠕变变形及断裂机理高温性能指标及影响因素金属材料在高温下的力学行为在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机等设备中，很多机件长期在高温下服役。对于这类机件的材料，只考虑常温短时静载时的力学性能是不够的。如化工设备中高温高压管道，虽然承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中会产生连续的塑性变形，使管径逐步增大，甚至会导致管道破裂。民用机接近1500℃，军用机在2000℃左右。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。因为温度和作用时间对金属材料的力学性能影响很大。1、温度的影响：一般随温度升高，金属材料的强度降低而塑性增加。2、载荷持续时间的影响：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。⑴σσs，长期使用过程中，会产生蠕变，可能最终导致断裂。⑵随载荷持续时间的延长，高温下钢的抗拉强度降低。⑶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。⑷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，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。金属材料在高温下的力学性能，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。4、约比温度⑴定义：试验温度t与金属熔点tm的比值（t/tm）。t，tm均为绝对温度。⑵衡量：当t/tm0.5时，为“高温”；反之则为“低温”。⑶意义：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，其力学性能变化规律也是相同的。§8－1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。由蠕变变形导致的材料的断裂，称为称为蠕变断裂。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：第一阶段：ab减速蠕变阶段，又称过渡蠕变阶段。开始大，逐渐减速；第二阶段：bc恒速蠕变阶段，又称稳态蠕变阶段。速率几乎保持不变；第三阶段：cd加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断裂。蠕变曲线的常用经验表达式kttn0瞬时应变减速蠕变恒速蠕变一般为小于1的正数ddt蠕变速率𝑑𝜀𝑑𝑡=𝐶𝜎𝑚𝑑𝑏𝑒−𝑄𝑘𝑇不同材料的蠕变曲线不同，同一材料的蠕变曲线随着温度高低及应力的大小而有不同：只有在适当的应力和温度范围才可清楚地显示出减速蠕变阶段、恒速蠕变阶段和减速蠕变三个阶段。三、应力松弛对于在高温下工作、依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，在总变形量不变的前提下，弹性变形变为塑性变形，从而使工作应力降低，导致失效。在温度及初始应力一定时，材料中的应力随着时间的增加而减小的现象称为应力松弛。可以看成应力不断降低条件下的蠕变过程。应力松弛：应变a）、应力b）随时间变化曲线16§8-2蠕变变形与蠕变断裂机理一、蠕变变形机理金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散等机理进行，与温度及应力的变化有关。（一）位错滑移蠕变常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移就不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和增殖。高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散克服某些短程障碍，有利于加强位错的运动（滑移、攀移、交滑移等），克服短程障碍。从而产生塑性变形。17当塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移面上运动，或与异号位错相遇对消、或形成亚晶界、或被晶界吸收。18在蠕变第一阶段：由于蠕变变形逐步产生应变硬化，使位错源移动的阻力及位错滑移的阻力逐渐增大，使得蠕变速率不断降低。也称为“减速蠕变阶段”。蠕变第一阶段是很短的，不超过几百小时。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。在蠕变第二阶段：当某一位错被激活发生攀移时，位错源再次放出一个位错，形成动态回复过程，硬化与软化达到平衡，蠕变速率为一常数。20（二）扩散蠕变这是在较高温度下的一种蠕变变形机理，约比温度t/tm0.5。高温和应力的作用下，空位、原子的定向扩散（不均匀应力场）。∴材料产生蠕变。21承受拉应力（A、B晶界）的晶界，空位浓度减小；承受压应力（C、D晶界）的晶界，空位浓度增加。这种晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移，原子朝相反方向运动，使得晶体伸长的蠕变，称为扩散蠕变。22（三）晶界滑动高温和应力的作用下，因晶界上的原子容易扩散，受力后晶界易产生滑动（即晶粒发生转动），也促进蠕变进行。晶界滑动对蠕变的贡献较小，一般在10％左右；此机理不是独立的机理，因晶界滑动要与晶内滑移变形相配合，否则不能维持晶界的连续性，导致晶界产生裂纹。∴晶粒减小，晶界滑动对蠕变的作用越大。23二、蠕变断裂机理实验表明，不同温度及应力条件下，晶界裂纹的形成方式有两种：1、在三晶粒交会处形成楔形裂纹这是在高应力和低温下，由于晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞互相连接形成楔形裂纹。高应力和低温下三晶交界处楔形裂纹锅炉高温耐热钢断口组织252、在晶界上由空洞形成晶界裂纹这是较低应力和较高温度下产生的裂纹。这种裂纹出现在晶界上突起的部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动产生空洞，这些空洞长大并连接，就形成裂纹。由于蠕变断裂主要在晶界上产生，所以晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。26锅炉高温耐热钢断口组织27三晶交界处滑移受阻，应力集中，形成楔形裂纹：低温高应力晶界第二相质点处，滑移受阻，形成空洞：高温低应力蠕变断裂机理示意图由于蠕变断裂主要在晶界上产生，所以晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。29三、断口特征1、宏观特征(1)断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹（断裂机件表面出现龟裂现象）；(2)高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。302、微观特征冰糖状花样的沿晶断裂。Ni基高温合金发动机叶片蠕变断裂后形貌06Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢：在断口的一些区域内出现颇多沿晶裂纹，其裂纹大多由非规则的空穴相连而成，并沿奥氏体晶界分布。管内介质为H2、N2、CO等，工作压力为3.8kPa，工作温度790℃，其中18管使用约4×104h，28管使用8000h后断裂。31§8-3高温力学性能指标及其影响因素一、蠕变极限为了保证高温长时载荷作用下的机件不会产生过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。1、定义是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。322、表达方式(1)在规定温度（t）下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速率不超过规定值时的最大应力，用表示。例如：表示：在600℃，稳态蠕变速率=1×10-5%/时的蠕变极限为60MPa。ttMPa606001015600℃1×10-5%/h33(2)在规定温度（t）与试验时间（τ）内，使试样产生的蠕变总伸长率（δ）不超过规定值的最大应力。用符号表示。例如：表示：材料在500℃温度下，10万小时，蠕变总伸长率δ=1%的蠕变极限为100MPa。t/t/MPa10050010/15500℃100000h总伸长量为1%3、选取选用哪种表示方法，根据服役工况来确定。若蠕变速率大而服役时间短，可取⑴表示方法。反之，服役时间长，则取后一种表示方法。354、测试蠕变试验装置。具体试验时，在同一温度下要用4个以上的不同应力进行蠕变试验，到规定的时间（数百至数千小时）后停止；根据实验结果绘出应力-稳态蠕变速率或应力-总伸长率关系曲线；可采用较大的应力，以较短的时间作出几条蠕变曲线，根据所测定蠕变速率，用内插或外推法求出规定蠕变速率的蠕变极限值。36试样7卡在夹头8上，然后置于电炉6中加热，试样温度用捆在试样上的热电偶5测定，炉温用铂电阻2控制，通过杠杆3和砝码4对试样加载，使之承受一定的拉应力，试样的伸长量用安装在炉外的引伸计1测量。蠕变测试设备38用内插法或外推法求蠕变极限。注意：用外推法时，蠕变速率只能比最低试验点的数据低一个数量级；否则，外推值不可靠。12Cr1MoV钢σ－ε图39二、持久强度极限1、定义在规定温度（t）下，达到规定的持续时间（τ）而不发生断裂的最大应力。用表示。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。如锅炉的过热蒸气管，持久强度极限是很重要的性能指标。t403、测试通过高温拉伸持久试验测定。不需要测定样品的伸长量，只要测定试样在规定时间和应力作用下至断裂的时间。◆对于设计寿命几百至数千小时的机件，材料的持久强度极限可直接用同样的时间进行试验确定。◆对于寿命长的机件，使用数万以上小时，不可能长时间做测试，所以类似于蠕变试验，一般做应力较大、时间较短（数百小时）的试验数据，绘出直线，通过外推法来求持久强度极限。414243三、剩余应力1、松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。可通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。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。3、剩余应力：应力松弛试验中任一时间试样上所保持的应力，用σr。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σre表示。4445对于不同金属材料或同种材料经过不同的热处理，在相同试验温度和初始应力下，经规定时间后，剩余应力越高，松弛稳定性越好。例如：20Cr1Mo1V1钢广泛应用于气轮机、燃气轮机紧固件，经过不同的热处理工艺（正火、油淬＋回火）后的应力松弛曲线（初始应力σ0＝300MPa）如图所示可见，正火工艺的剩余应力高，说明其具有较好的应力松弛稳定性。46四、影响金属高温力学性能的主要因素根据蠕变变形与断裂机理可知，要提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速率，要提高持久强度极限，必须控制晶界的滑动。也就是说要提高金属材料的高温力学性能，就应控制晶内及晶界的原子扩散过程。这主要取决于合金的化学成分、冶炼工艺、热处理工艺等因素。47（一）合金化学成分的影响位错越过障碍所需的蠕变激活能越高的金属，越难产生蠕变变形。实验表明纯金属的蠕变激活能大约与其扩散激活能接近，所以耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。可加入：熔点高的Me，含有能形成弥散相的Me、能增加晶界扩散激活能的Me（硼、稀土）。详细如下48(1)在基体中加入铬、钼、钨、铌等形成单相固溶体，除产生固溶强化外，还因Me使层错能降低，易形成扩展位错，且溶质原子与溶剂原子的结合力较强，增大了扩散激活能，从而提高蠕变极限。(2)加入能形成弥散相的，弥散相能强烈阻碍位错的滑移，是提高高温强度的有效方法。弥散相粒子硬度越高，弥散度越大，稳定性越高，则强化作用越好。(3)添加能增加晶界扩散激活能的，如硼、稀土等，既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹面的表面能，对提高蠕变极限和持久强度极限有效。49（二）冶炼工艺的影响冶炼时：尽量减少夹杂物和某些冶金缺陷。各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，由于钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度极限降低。高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格，即使含量只有十万分之一，当其在晶界偏聚后，会导致晶界的严重弱化，使热弹性降低。50（三）热处理工艺的影响不同钢种其热处理工艺不同。例：珠光体耐热钢一般采用正火+高温回火工艺，正火温度较高，以促使碳化物充分溶于奥氏体中，回火温度高于使用温度100～150℃，以提高使用温