8工程材料力学性能第八章

第八章金属高温力学性能金属材料在高温下的力学性能，不能只简单地用常温下短时拉伸的应力—应变曲线来评定，还必须考虑温度与时间两个因素。温度与时间的联合作用影响材料的断裂路径（图8-1）。金属的约比温度—T/TmT—试验温度Tm—金属熔点T/Tm＞0.5高温T/Tm＜0.5低温第一节金属的蠕变现象一、蠕变和蠕变断裂的定义1、蠕变蠕变－金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。蠕变在较低温度下也会产生，但只有当约比温度＞0.3时才比较显著。2、蠕变断裂由于蠕变变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。二、金属的蠕变曲线（图8-2）（图8-3）蠕变曲线根据蠕变速率(ε＝dδ/dτ)可分为三个阶段:第一阶段（ab）减速蠕变阶段第二阶段（bc）恒速蠕变阶段第三阶段(cd)加速蠕变阶段故蠕变与时间的关系可以表示为：δ=δ0+f(τ)+Dτ+φ(τ)其中δ0为瞬时应变；f(τ)为减速蠕变；Dτ恒速蠕变；φ(τ)为加速蠕变。三、应力松驰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驰。应力松驰现象可看作是应力不断降低条件下的蠕变过程。第二节蠕变变形与断裂机理一、蠕变变形机理1、位错滑移蠕变高温下由于温度升高，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散未克服某些短程障碍，从而使变形不断产生。刃位错错攀移克服障碍模型如图示。2、扩散蠕变在较高约比温度下，大量原子和空位定向移动造成的。3、晶界滑动蠕变高温下、晶界上的原子容易扩散，受力后易产生滑动，故促进蠕变进行。总的来说，它在总蠕变量中所占比例并不大，约为10%左右。温度↑、应力↓、晶粒度↓→晶界滑动↑二、蠕变断裂机理蠕变断裂有两种情况：一是对于那些不含裂纹的高温机件，在高温长期服役过程中，由于蠕变裂纹相对均匀地在机件内部萌生和扩展，显微结构变化引起蠕变抗力的降低以及环境损伤导致断裂（主要讨论）另一种情况是高温机件中，原来就存在裂纹或类似裂纹的缺陷，其断裂是由于主裂纹的扩展引起的，这方面的研究始于上世纪60年代后期，属于高温断裂力学范畴。1、在三晶粒交会处形成的楔形裂纹(显微照片）在高应力和较低温度下，由于晶界滑动在三晶粒交汇处受阻，造成应力集中形成空洞，若空洞相互连接便形成楔形裂纹。2、在晶界上由空洞形成的晶界裂纹（显微图）较低应力和较高温度下，在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞。由以上两种方式形成的裂纹，进一步依靠晶界滑动，空位扩散和空洞连接而扩展，最终导致沿晶断裂。三、蠕变断裂断口特征1、蠕变断裂断口的宏观特征（1）在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象；（2）由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。2、断口的微观特征主要为冰糖状花样的沿晶断裂形貌第三节金属高温力学性能指标及其影响因素一、蠕变极限蠕变极限是金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标一般有两种表示方式：1、在规定温度（t）下，使试样在规定时间内产生稳态蠕变速率不超过规定值的最大应力，以符号σεt表示。2、在规定温度（t）下和规定的试验时间（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，以符号σtδ/τ表示。这两种蠕变极限与伸长率之间有一定的关系。在使用上选用哪种表示应视蠕变速率与服役时间而定。若蠕变速率大而服役时间短，可取前一种表示（σεt）。若服役时间长，则取后一种（σtδ/τ）蠕变极限的测定按GB2039-80《金属拉伸蠕变试验方法》进行。二、持久强度极限金属材料的持久强度极限－在高温长时载荷作用下的断裂强度。持久强度极限是在规定温度(t)下，达到规定的持续时间（τ）而不发生断裂的最大应力值，以στt表示。金属持久强度极限的测定GB6395-86《金属高温拉伸持久试验方法》通过高温持久试验，测量试样断裂后的伸长率及断面收缩率，还能反映出材料在高温下的持久塑性。许多钢种在短时间试验时，其塑性较好，但经高温长时加载后塑性有显著降低的趋势。三、松驰稳定性金属材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力不断降低的现象称为应力松驰。材料抵抗应力松驰的性能称为松驰稳定性。松驰稳定性可以通过松驰试验测定的应力松弛曲线来评定。具体试验方法按GB10120-88《金属应力松驰试验方法》剩余应力σr——应力松驰试验中，任一时间试样上所保持的应力。松驰应力σre——初始应力与剩余应力之差，即所减少的应力。剩余应力σr是评定金属材料应力松驰稳定性的指标，相同条件下，剩余应力愈高者，其松驰稳定性愈好。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2、冶炼工艺的影响①钢中的夹杂物和某些冶金缺陷→持久强度极限↓②杂质元素和气体含量↑→热强性↓,蠕变脆性↑③采用定向凝固工艺，使柱状晶沿受力方向生长，减少横向晶界，可使持久强度极限↑↑。3、热处理工艺的影响4、晶粒度的影响第四节其它高温力学性能一、高温短时拉伸性能高温短时拉伸试验按GB4338-84《金属高温拉伸试验方法》。主要用来测定金属在高于室温时的规定非比例伸长应力σp、屈服强度σs、抗拉强度σb、断后伸长率δ及断面收缩率ψ等性能指标。二、高温硬度对于高温轴承及某些工具材料等，金属材料的高温硬度是重要的性能指标。一般测量高温硬度时，加载时间较短（30~60s），但有时为了显示蠕变的影响，特地将加载时间延续1~5h，所得结果叫持久硬度。三、高温疲劳性能通常把高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳。1、高温疲劳的特点试验温度↑→高温疲劳强度↓，但和持久强度相比下降较慢，所以存在一交点。在交点左边，材料主要是疲劳破坏；在交点以右，则以持久强度为主要设计指标。交点温度随材料不同而不同。高温疲劳的最大特点是与时间相关。所以描述高温疲劳的参数除与室温相同的外，还需增加与时间有关的参数，如加载频率、波形和应变速率。加载频率↓、应变速率↓、拉应力保持时间↑→疲劳寿命↓2、疲劳和蠕变的交互作用高温疲劳中主要存在疲劳损伤成分和蠕变损伤成分。近年来的研究表明:在一定的条件下，两种损伤过程不是各自独立发展，而是存在交互作用，交互作用的结果可能会加剧损伤过程，使疲劳寿命大大降低。交互作用的大小与材料的持久塑性有关。试验表明：材料的持久塑性越好，则交互作用程度越小。交互作用亦与试验条件有关。考试题型：一.填空（25分）二.名词解释（20分，每题5分）三.简答（30分，共4题）四.计算题（10分）五.论述题（15分）温度和速率对金属断裂路径的影响二、金属的蠕变曲线刃位错攀移克服障碍的模型扩散蠕变金属的应力松驰曲线温度、应力对蠕变曲线的影响1、合金化学成分的影响材料成分不同，蠕变的热激活能不同。热激能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高。①熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金→蠕变速率↓；面心立方结构的金属其高温强度＞体心立方结构的金属；②基体金属中加入Cr、Mo、W、Nb等合金元素形成单相固熔体→蠕变极限↑固溶元素溶点↑，原子半径与基体原子相差愈大→热强性↑③合金中加入能形成弥散相的合金元素→高温强度↑弥散相粒子硬度↑、弥散度↑、稳定性↑→强化作用↑④添加能增加晶界扩散激活能的元素（如硼、稀土等）→蠕变极限↑、高温持久强度↑。3、热处理工艺的影响①珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺。正火温度应较高；回火温度应高于使用温度100－150℃。②奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理和时效。目的是得到适当的晶粒度，并改善强化相的分布。③采用形变热处理改变晶界形状，并在晶内形成多边化的亚晶界，可进一步提高持久强度极限。4、晶粒度的影响①使用温度＜等强温度：细晶粒钢强度高②使用温度＞等强温度：粗晶粒钢及合金有较高的蠕变极限和持久强度极限，但晶粒过大会降低高温下的塑性、韧性。③对于耐热钢和合金，随合金成分和工作条件不同，有一最佳晶粒度范围。④在耐热钢及合金中晶粒度不均匀会显著降低其高温性能。