金属材料强度与温度的关系

金属材料的强度预温度的关系金属材料的高温强度2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金属材料的高温强度31.金属材料在高温下的力学行为特点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。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。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。强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加。金属材料的高温强度4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：初始阶段、中间阶段和第三阶段。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。在中间阶段，强度极限随温度升高而缓慢下降。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。01002003004005006007000200400600800温度,℃抗拉强度,MPa20钢15CrMo钢18-8不锈钢0501001502002503003504000100200300400500600700温度,℃屈服强度,MPa20钢15CrMo钢18-8不锈钢金属材料的高温强度5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：初始阶段、中间阶段和第三阶段。在初始阶段，伸长率和断面收缩率随温度升高而逐渐下降；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；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。01020304050600100200300400500600温度,℃伸长率,%20钢δ515CrMo钢δ520钢δ1015CrMo钢δ100204060801000100200300400500600温度,℃断面收缩率,%20钢15CrMo钢金属材料的高温强度6在高温条件下，应变速度对材料的强度也有明显的影响。应变速度越高，材料的强度也越高。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。050100150200250300350400450010203040506070应变ε%应力,MPaε=85%/minε=10%/minε=1.0%/minε=0.1%/minε=85%/minε=10%/minε=1.0%/minε=0.1%/min25℃450℃金属材料的高温强度7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。各国在试验标准中都对此作出了严格的要求%02.0:2.0T%002.0%01.0:2.0TTEmmT01.0:2.0mmmmTpT002.0:02.0:2.0项目标准名称载荷精度试验温度允差（℃）引伸仪精度应变速度（加载速度）波动梯度YB941中国±1%600:±3600~900：±4900~1200:±5345屈服点或屈服强度前：≤0.03l0/min（一般试验）≤0.02l0/min（仲裁试验）ISOR-783国际±1%≤800：±5800~1000:±60.01%屈服强度前：0.1%~0.3%/minASTME21美国±1%≤982：±3982:±636屈服点前：（0.5±0.2）%/min屈服点后：（5±1）%/minBS3688英国±0.5%≤800：±55屈服强度前：（0.1~0.3）%/minJISG0567日本±1%300~600：±3600~800：±4800~1000：±60.01mm屈服点或屈服强度附近：（0.1~0.5）%/min屈服强度后：（0.5~1.0）%/minDIN50112DIN50118德国±1%≤600：±3600~800：±4800~1000:±61000~1100:±84屈服点前：5MPa/sГОСТ9651前苏联±1%仲裁试验时≤600：±3600~900:±5900~1200：±6常规试验时，允许再加2°波动（0.04~0.1）l0/min不大于80MPa/minmmT01.0:2.0每格mmT001.0:01.0每格金属材料的高温强度8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。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。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。形变速度愈低则TS愈低温度强度晶界晶粒TK穿晶断裂沿晶断裂Ts金属材料的高温强度9小结强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加。力学行为及性能与加载持续时间密切相关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。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。温度影响材料的微观断裂方式。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。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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。金属材料的高温强度102.蠕变金属在一定温度、一定应力（即使小于σs）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。蠕变在温度较低时也会发生，但只有在温度高于0.3Tf（熔点温度）时才比较明显。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。金属材料的高温强度112.1蠕变曲线的定性分析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。材料抗蠕变断裂的能力用持久强度表示。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。无论何种，典型的蠕变曲线都可以分为三个阶段，金属材料的高温强度12不同金属材料在不同条件下得到的蠕变曲线是不同的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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。金属材料的高温强度13蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑移方式进行。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，故变形速率不断降低。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交汇处受阻而形成裂纹核心。金属材料的高温强度14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。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动态平衡时，形变速率即保持稳定。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，形成楔形和孔洞形裂纹。金属材料的高温强度15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。金属材料的高温强度16金属材料的高温强度17金属材料的高温强度18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。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。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。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。例如在高温下会发生相变的某些合金（如Fe－20.5％W，Ni－25.5％Mo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”。金属材料的高温强度192.2蠕变曲线的定量分析关于蠕变曲线的表示方式，有用蠕变过程中应变或应变速度与时间的关系来表示，有用应变或应变速度与温度的关系来表示，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。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。金属材料的高温强度202.2.1在给定温度或应力下蠕变与时间的关系Bailey提出适用于第一阶段的公式（1/3≤n＜1/2）………（1）Mevetly提出适用于第一及第二阶段的公式………（2）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，ε为应变，t为时间。FteBct)1(nAt金属材料的高温强度21高温蠕变与低温蠕变Graham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：…………….（3）称为α蠕变或对数蠕变，也称为低温蠕变。当温度较高应力较低时，公式为：…………….（4）称为β蠕变或高温蠕变，β是由应力和温度决定的常数。而第二阶段的蠕变公式为：……………………（5）称为K蠕变。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。tln03/10tKt0金属材料的高温强度22也有人把蠕变第一阶段看成是较低温度下起主导作用的α蠕变和较高温度的以β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：…..（6）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。3/10lntt金属材料的高温强度232.2.2应力与蠕变速度的关系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。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：Bs.)exp('.BsnsB)(sinh.金属材料的高温强度242.2.3温度与蠕变速度的关系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。Mott式：Dorn式：Zener-Holloman式：)/exp(.RTQAnRTQtB)]/exp([RTQeZ/金属材料的高温强度252.3金属材料在蠕变中的组织变化2.3.1晶体结构晶体结构不同原子自扩散能力也不同，蠕变速度即随之发生变化。纯铁在相同温度下体心立方的扩散能力大于面心立方，所以低碳钢在温度超过相变点时蠕变速度会发生突变。0.0010.010.11106007008009001000温度,℃最小蠕变速度,%/h金属材料的高温强度26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。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。高熔点金属