金属高温力学性能

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  1、1第八章 金属高温力学性能 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。高温影响 蠕变及其机理高温力学性能指标21、温度的影响温度的影响：一般随温度升高，一般随温度升高，金属材料的强度降低而塑性增加金属材料的强度降低而塑性增加。2、载荷持续时间的影响载荷持续时间的影响：在高温下，载荷持续时间对力学性能在高温下，载荷持续时间对力学性能有很大影响。有很大影响。例如：钢的例如：钢的b b随载荷持续时间随载荷持续时间而而 3温度和时间对断裂路径的影响温度和时间对断裂路径的影响 温度温度TT，载荷，载荷t t

  2、，断裂，断裂由穿晶断裂过渡到沿晶断裂由穿晶断裂过渡到沿晶断裂。变形速率对金属断裂路径的影响变形速率对金属断裂路径的影响变形速率变形速率，T TE E。等强温度等强温度(T(TE E) )概念概念晶粒晶粒与晶界两者强度相等的温度，与晶界两者强度相等的温度，称为等强温度。称为等强温度。 TTTTTTE E时，沿晶断裂。时，沿晶断裂。(K)(K)合金熔点使用温度约比温度 4当约比温度当约比温度0.50.5时时高温状态。高温状态。 当约比温度当约比温度0.50.5，甚至接近于甚至接近于T Tm m时）时）原子扩散进一步加剧原子扩散进一步加剧较多数量的原子较多数量的原子( (空位空位) )直接直接发生迁

  3、移性扩散发生迁移性扩散扩散蠕变扩散蠕变。F 机制一：在三晶粒交会处形成楔形裂纹机制一：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应力集中形成空洞形成空洞相互连接形成楔形裂纹相互连接形成楔形裂纹长大长大引起断裂引起断裂楔形裂纹形成示意图楔形裂纹形成示意图 二、蠕变断裂机理二、蠕变断裂机理F 机制二：在晶界上由空洞形成晶界裂纹机制二：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，形成空洞晶粒内

  4、部的空穴聚集于此晶界，形成空洞核心核心空洞超过临界尺寸（空洞超过临界尺寸（r r）而稳定存在）而稳定存在长大长大引起断裂。引起断裂。 空洞位置：晶界上的凸起部位，细小的第空洞位置：晶界上的凸起部位，细小的第二相质点附近，（晶界夹杂物）二相质点附近，（晶界夹杂物）128-3 8-3 高温力学性能指标及其影响因素高温力学性能指标及其影响因素 一、蠕变极限一、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。过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标是材料在高温长时载荷作用下

  5、的塑性变形抗力指标。 1. 1.在给定的温度下，使试样在给定的温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力。变速率的最大应力。 MPa1 110105 5 /h/ht/MPa10050010/000h100000h总伸长为总伸长为1%1% 2. 2.在给定温度在给定温度t t和规定时间和规定时间(小时小时) )内，使试样产生规定蠕内，使试样产生规定蠕变变形量变变形量的最大应力。的最大应力。 蠕变极限的表示方法蠕变极限的表示方法t持久强度极限持久强度极限 高温长期载荷下对断高温长期载荷下对断裂的抗力（不

  6、考虑变形量）裂的抗力（不考虑变形量）蠕变极限蠕变极限 高温长期载荷下对塑性高温长期载荷下对塑性变形的抗力（考虑了变形量）变形的抗力（考虑了变形量） 二二. .持久强度极限持久强度极限 在给定温度在给定温度t t下，达到规定下，达到规定的持续时间的持续时间而不发生断裂的而不发生断裂的最大应力，以最大应力，以MPaMPa表示表示。持久强度极限为的、表示该合金在，表示用30MPa1000hC70030MPa:7001013t15 三、剩余应力三、剩余应力 1、松弛稳定性松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。可通：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。过应力松弛试验

  7、测定的应力松弛曲线、金属的松弛曲线金属的松弛曲线：在规定温度下，对试样施加载荷，：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、剩余应力剩余应力：应力松弛试验中任一时间试样上所保持：应力松弛试验中任一时间试样上所保持的应力，用的应力，用r（以前用（以前用sh）。是评定金属材料应力松弛稳）。是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。定性的指标。 4、松弛应力松弛应力：试样上所减少的应力，即初始应力与剩：试样上所减少的应力，即初始应力与剩余应力之差，用余应力之差，用re表示（以前用表示（

  8、以前用so） 。金属应力松弛曲线金属应力松弛曲线 任一时间试样上所保持的任一时间试样上所保持的应力应力剩余应力剩余应力shsh松弛试验中，试样上所减少松弛试验中，试样上所减少的应力的应力松弛应力松弛应力soso初始初始应力应力0 0对于不同金属材料或同种材料经过不同的热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，经规处理，在相同试验温度和初始应力下，经规定时间后，定时间后，剩余应力越高，松弛稳定性越好剩余应力越高，松弛稳定性越好。四、影响金属高温力学性能的主要因素四、影响金属高温力学性能的主要因素 1 1、基体金属与晶体结构的影响、基体金属与晶体结构的影响 通常熔点

  9、高，自扩散激活能大，层错能低的金通常熔点高，自扩散激活能大，层错能低的金属，蠕变极限属，蠕变极限。高温材料设计依据高温材料设计依据 自扩散系数：自扩散系数： bccfcchcpbccfcchcp金钢石型金钢石型 自扩散系数大，自扩散激活能小自扩散系数大，自扩散激活能小故：故：fccfcc的蠕变极限的蠕变极限bccbcc 金钢石型的陶瓷材料具有优良的抗高温金钢石型的陶瓷材料具有优良的抗高温蠕变性能蠕变性能 加入Cr，Mo，W，Nb，使固溶强化； 层错能，扩散激活能； 化学相互作用、形成短程有序等。2、溶质元素的影响 通常溶质元素或微量杂质原子，尤其是高熔点、与基体金属原子尺寸相差较大的溶质原子，

  10、可使蠕变极限提高。S、P、Pb、Sn、Bi、Sb为有害杂质元素马氏体的固溶强化并不适用3 3 系出物与杂质物的影响系出物与杂质物的影响 加入合金元素，生成加入合金元素，生成弥散强化弥散强化相，阻碍滑移和攀移，相，阻碍滑移和攀移，高温强度。高温强度。 须为热力学稳定的第二相须为热力学稳定的第二相 如钢中采用特殊碳化物、氮化物等如钢中采用特殊碳化物、氮化物等 非金属夹杂物有害非金属夹杂物有害 4 4、晶粒度的影响、晶粒度的影响 TTTTTTE E，粗晶粒钢强度高。，粗晶粒钢强度高。 采用适当的晶粒度，例采用适当的晶粒度，例2 23 3级级 因为晶粒太大，因为晶粒太大，A Ak k Thanks20

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