第三章_高温金属结构材料分析
金属材料在高温环境下的形变与损伤研究
金属材料在高温环境下的形变与损伤研究近年来，随着科技的不断进步，人类对于金属材料在高温环境下的行为与损伤机理的研究越来越深入。
这项研究在航空航天、能源、汽车等领域具有非常重要的应用价值。
一般来说，高温环境下金属材料的形变和损伤主要表现为以下几个方面。
首先是拉伸性质的变化。
金属材料在高温环境下，其抗拉强度、屈服强度、塑性和延伸性等机械性能会随着温度的升高而下降。
这是因为高温会使材料的晶格结构发生变化，热膨胀系数增大，材料的原子和离子的能量随时在相互变化，而后者最主要地表现为在高温和其他应力条件下发生的晶格滑移、断裂等形变劣化机制。
其次是疲劳性能的恶化。
许多金属材料在高温环境下和疲劳负荷作用下很难长期保持固定的力学性能，因此疲劳强度、容忍度和寿命都会受到明显的影响。
再次是高温环境下引起材料氧化、腐蚀和熔化等化学反应。
这些反应会直接影响材料的物理和力学性质，因此对于这些损伤机制的研究非常重要。
最后是材料的微观结构的变化。
高温环境下，金属材料的晶体粒度大小、界面能量等微观特性会发生变化，从而影响材料的力学性能。
针对以上几个变化方面，目前的研究主要集中在以下几个方面。
首先是金属材料在高温下的力学性能和微观特性的表征。
通过一系列实验方法如拉伸、扭曲、压缩等来测试材料的力学性能，从而研究材料的形变规律，这些实验数据通常需要借助复杂的数学模型进行处理和分析，求得材料的力学性能指标。
其次是针对金属材料在高温环境下的腐蚀、氧化等问题的研究。
主要是通过一系列化学分析手段来表征材料的表面腐蚀等现象，了解材料在高温环境下不同元素对金属材料的损伤机理。
最后是关注金属材料的微观结构和物理性质变化。
主要是采用高分辨电镜、X 射线衍射以及近代材料计算力学和材料学等多种先进技术，加深对材料界面能量和晶体弹性、塑性变形、微观断裂和晶间疏松等微观特性的认识，在损伤破坏的基础上设计新型材料。
总的来说，金属材料在高温环境下的形变与损伤研究是一个非常复杂和系统的工程，需要结合多个学科的知识与技术手段来进行。
金属材料第三章结晶
第三章金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。
§3.1 结晶的过程和条件一、液态金属的结构特点金属键：导电性，正电阻温度系数近程有序：近程规则排列的原子集团结构起伏：近程规则排列的原子集团是不稳定的，处于时聚时散，时起时伏，此起彼伏，不断变化和运动之中，称为结构起伏。
结晶的结构条件：当近程规则排列的原子集团达到一定的尺寸时，可能成为结晶核心称为晶核, 即由液态金属的结构起伏提供了结晶核心。
结构起伏是金属结晶的结构条件。
二、结晶过程形核：液相中出现结晶核心即晶核；晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新晶核不断形成并长大；不断形核、不断长大；晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。
单晶体与多晶体三、结晶的过冷现象用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。
由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象称为过冷。
液态金属过冷是结晶的必要条件。
过冷度：△T=Tm-Tn, 其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。
四、结晶的热力学条件热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。
热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。
利用最小自由焓原理分析结晶过程。
两相自由焓差是相变的驱动力。
金属结晶的热力学条件：固相自由焓必须低于液相自由焓。
热力学条件与过冷条件的一致性。
§3.2 形核的规律形核方式：均匀形核（自发形核）与非均匀形核（非自发形核）。
一、均匀形核均匀形核：当液态金属很纯净时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。
第三章合金的结构与相图
硬质合金中的重要组成相。
构
如：W2C, VC, TiC, MoC, TiN, VN 等。
35
② 间隙化合物
当（d非 /d过）>0.59时，形成
的间隙化合物一般具有复杂的 晶格结构。 如：Fe3C, dC/dFe =0.61, 正交 晶格 特点： 熔点、硬度更高
作用： 在钢中也起强化相作用。
27
1. 根据溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同， 可将固溶体分为（ ）和（ ）。 2. 相是指合金中（ ）与（ ）均匀一致的组成部分。 3. 固溶体与金属间化合物在晶体结构和力学性能 方有何不同?
28
特点与变化
晶粒的大小与形状无 明显的变化； 位错密度变化不大； 电阻明显降低； 强度硬度略有降低，
可能形成无限固溶体；
对于间隙固溶体，则只能形成有限固溶体。
18
3 按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分
➢ 无序固溶体：溶质原子呈无序分布的固溶体； ➢ 有序固溶体：溶质原子呈有序分布的固溶体； ➢间隙固溶体都 是无序固溶体。
19
（三）、影响固溶体结构形式和溶解度的因素
1. 原子大小
溶剂与溶质的原子直径差别：
铁原子 碳原子
通常固溶体不能用一个化学式表示
12
（一）. 溶质元素在固溶体中的溶解度
固溶体的浓度： 溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体的浓度。
质量百分比： C=（溶质元素的质量/固溶体的质量）100% 原子百分比： C=（溶质元素的原子数/固溶体的总原子数）100%
固溶体的溶解度： 在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度称 为溶质元素在固溶体中的溶解度。
31
1、金属间化合物的种类
金属材料微观结构及其力学性能分析
金属材料微观结构及其力学性能分析第一章介绍金属材料是工业生产中应用最广泛的材料之一。
金属材料的性能取决于其微观结构。
了解金属材料的微观结构对于优化其力学性能具有重要的意义。
本文将对金属材料的微观结构及其力学性能进行分析。
第二章金属材料的微观结构2.1 金属晶体结构金属材料的微观结构是由晶体结构组成的。
金属晶体结构分为三类：立方晶系、六方晶系和正交晶系。
立方晶系又分为面心立方和体心立方两种，六方晶系和正交晶系则分别只有一种。
2.2 晶体缺陷金属材料的晶体中经常存在一些缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷包括空位、间隙原子和杂质原子。
线缺陷包括位错和螺旋位错。
面缺陷包括晶界、孪晶和堆垛层错。
2.3 热处理对微观结构的影响热处理可以改变金属材料的微观结构，从而改变其力学性能。
常见的热处理方式包括退火、淬火、正火和强化退火等。
其中，在退火和淬火过程中，晶体内部的点缺陷和线缺陷会发生移动和重新排列，从而形成新的晶界和位错，改变晶粒的大小和形状。
在正火和强化退火过程中，则会使晶粒的尺寸和形状发生变化。
第三章金属材料的力学性能3.1 强度金属材料的强度是指材料在受到外力作用时能够承受的最大应力。
强度取决于晶体的结构和缺陷，晶粒的尺寸和形状，以及金属材料的化学成分和加工工艺。
3.2 塑性塑性是指材料在受到外力作用时能够发生塑性变形的能力。
塑性也是晶体的结构和缺陷、晶粒尺寸和化学成分、加工工艺等因素综合作用的结果。
3.3 韧性韧性是指材料在受到外力作用时能够发生韧性断裂前的能量吸收能力。
韧性既受材料的强度和塑性限制，也受材料的微观结构和缺陷限制。
3.4 硬度硬度是指材料对于压入针或滚动球的抵抗能力。
硬度取决于晶体的结构和缺陷，晶粒尺寸和化学成分等因素的综合作用。
第四章金属材料的力学性能分析方法4.1 确定力学性能的试验方法金属材料的强度、塑性、韧性、硬度等性能可以通过试验来测定。
常见的试验方法包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验、冲击试验和硬度试验等。
耐热不锈钢的高温变形机制分析
耐热不锈钢的高温变形机制分析耐热不锈钢是一种具有优异的耐热性和抗腐蚀性能的金属材料。
在高温环境下，耐热不锈钢可以保持其结构的稳定性，而不会发生明显的变形或失效。
本文将对耐热不锈钢的高温变形机制进行深入分析。
首先，耐热不锈钢的高温变形机制与其组织结构密切相关。
耐热不锈钢通常含有高比例的铬、镍、钼等合金元素，这些元素能够形成强有力的固溶体和碳化物，增强了材料的热稳定性和耐腐蚀性。
此外，通过适当的热处理工艺，还可以获得一些弥散的析出相，如M23C6和MX，使材料的高温强度和塑性得到进一步提高。
在高温条件下，耐热不锈钢的变形主要包括塑性变形和蠕变变形两个方面。
塑性变形是指在局部塑性变形区域内发生的晶体滑移和再结晶过程，主要由晶体结构和材料的力学性能决定。
耐热不锈钢中的合金元素能够改变晶界的能量状态，抑制晶界滑移和再结晶，提高材料的高温塑性变形能力。
此外，通过控制材料的加热速率和变形应变率，可以进一步优化材料的塑性变形行为。
另一方面，蠕变变形是指在高温条件下，材料在恒定应力作用下的时间依赖性变形。
在高温下，耐热不锈钢会发生晶体的滑动和晶界的扩散，导致材料逐渐产生变形。
蠕变变形的速率主要由材料的应力、温度和应变速率等参数决定。
耐热不锈钢中的合金元素可以降低晶体的滑移速率和晶界的扩散速率，减缓蠕变变形的发生。
此外，在高温条件下，耐热不锈钢还可能发生氧化和脱碳等表面反应。
氧化是耐热不锈钢表面与氧气的化学反应，生成一层致密的氧化物层，从而减少材料的氧化速率。
脱碳是指耐热不锈钢中的碳元素与高温环境中的碳气体发生反应，溶解出气泡，减少材料的塑性。
为了降低氧化和脱碳的影响，可以通过表面涂层或控制热处理工艺来改善耐热不锈钢的高温变形性能。
总结起来，耐热不锈钢的高温变形机制是一个复杂的过程，涉及到材料的组织结构、力学性能、热处理工艺等多个方面。
通过合理设计材料的合金配比、控制热处理工艺和加工参数，可以提高耐热不锈钢的高温塑性和抗蠕变能力。
第三章金属结构的连接
强度计算式：τmax=rmax·M/IP ≤〔τh〕 极惯性矩法
2020/5/31
物流工程学院 WHUT
35
r2 i
x2
y2
IP
A ri2 • dA
(x2 y2 ) • dA
A
x2dA
A
A
y 2 dA
Iy
Ix
τmax=rmax·M/(Ix+Iy)≤〔τh〕轴惯性矩法（常用）
物流工程学院 WHUT
39
（2）承受N，Q，M的搭接接头
2020/5/31
物流工程学院 WHUT
40
①将外力向形心转化得：N，Q=P，M=P·e 假设：在N，Q作用下，应力由全部焊缝均担 任一点处：τN=N/Af(→) τQ=Q/Af(↓) 在M作用下，离O点最远的点为A，B点.
危险点：A（见右上图分析）
物流工程学院 WHUT
32
3）承受M的搭接接头
2020/5/31
物流工程学院 WHUT
33
计算假设： （1）构件为绝对刚性，焊缝为弹性； （2）在M作用下，构件焊缝计算截面型心作相对转动
由上面假设有：在一点处，τi大小于其到O的距离成正比，方 向垂直于连线
当点距O为单位长度r=1时，焊缝计算应力为：τ1 当点距O为单位长度r=i时，焊缝计算应力为：τi
金属结构是由型材、铸锻件间用 一定的连接方式组成的能承载的工程 结构，常见的连接方式有以下几种。
2020/5/31
物流工程学院 WHUT
1
§3—1连接方法及特点
❖ 一、方法：
焊 接：（广泛应用） 螺栓连接：（用于常装拆的结构）分为：
普通螺栓和高强度螺栓 铆钉连接：（国外仅用于特重型桥吊主梁） 胶合连接：（国内未采用） 销轴连接：（用于两构件间的连接）
金属材料的高温变形行为研究
金属材料的高温变形行为研究金属材料是现代工业中最常用的工程材料之一，其性能表现受到许多因素的影响，其中之一就是高温下的变形行为。
金属在高温环境中的变形行为对于材料的设计和加工过程至关重要，因此科学家们对此进行了广泛的研究。
在金属材料的高温环境下，晶格的热振动会增强原子间的位移，导致材料发生塑性变形。
这种高温下的变形行为可以通过许多实验和数学模型来研究和描述。
其中一种常见的研究方法是通过拉伸试验来研究金属材料的高温塑性行为。
在拉伸试验中，科学家们会将金属试样置于高温环境中，并施加外力使其发生拉伸。
通过测量试样的载荷-位移曲线，可以了解金属材料在高温下的变形行为。
根据这些试验数据，科学家们可以计算出金属材料的流动应力、塑性应变等重要的力学参数，进而分析和评估材料的性能。
研究人员还通过显微镜观察金属材料的微观结构来深入研究其高温变形行为。
高温下，金属晶粒内部的位错和晶界活动会增加，导致晶粒边界的滑移和再结晶行为。
这些现象对金属的力学性能和材料的稳定性有着重要的影响。
除了实验和显微镜观察，科学家们还使用计算模拟方法来研究金属材料的高温变形行为。
计算模拟方法可以通过建立金属材料的数学模型，模拟其在高温下的变形过程。
这种方法可以提供对材料结构和性能的深入理解，同时节省了大量的实验和测试成本。
研究金属材料高温变形行为的目的是为了改进材料的设计和制备过程，以获得更高性能的金属材料。
科学家们通过了解金属材料在高温下的力学行为，可以设计出更好的材料组织结构和处理方法，提高材料的抗拉强度、塑性和耐热性。
然而，金属材料的高温变形行为研究也面临一些挑战。
金属材料在高温下的行为受到多种因素的影响，例如晶粒大小、晶界结构、残余应力等。
这些因素的相互作用和复杂性使得金属材料的高温变形行为研究成为一个复杂的领域，需要不断的研究和改进。
总结起来，金属材料的高温变形行为研究对于材料科学和工程应用具有重要意义。
通过实验、显微镜观察和计算模拟等方法，科学家们可以深入了解金属材料在高温下的力学行为，进而改善材料的设计和加工过程。
高温对金属材料性能影响实验
高温对金属材料性能影响实验摘要：本实验旨在研究高温对金属材料性能的影响。
通过将金属样本暴露在高温环境下，测定不同温度下金属材料的力学性能、热膨胀系数以及晶体结构的变化。
实验结果表明，高温对金属材料的强度、硬度和热膨胀系数都有显著影响。
1. 引言金属是常见的工程材料，广泛应用于航天、汽车、建筑等领域。
然而，在高温环境下，金属的性能可能会受到严重的影响。
因此，研究高温对金属材料性能的影响对于材料工程的发展至关重要。
2. 实验目的本实验的目的是通过将金属样本暴露在高温环境下，研究高温对金属材料性能的影响。
具体包括力学性能（如强度和硬度）、热膨胀系数以及晶体结构的变化。
3. 实验步骤和方法(1) 准备金属样本：选择常见的金属材料样本，如铜、铁、铝等，并根据需要切割成标准尺寸的试样。
(2) 预热金属样本：将金属样本放入恒温箱中，调节温度至所需高温条件，保持一定时间使样本均匀受热。
(3) 测定力学性能：使用万能试验机对金属样本进行拉伸试验，测量其抗拉强度、屈服强度和延伸率等力学性能指标。
(4) 测定硬度：使用洛氏硬度计或维氏硬度计，对金属样本进行硬度测试，测定其硬度值。
(5) 测定热膨胀系数：使用热膨胀系数测定仪测量金属样本在高温下的长度变化，计算出其热膨胀系数。
(6) 分析晶体结构变化：使用X射线衍射仪或扫描电子显微镜（SEM）观察金属样本的晶体结构变化，分析高温对晶体结构的影响。
4. 实验结果与讨论通过对不同金属样本进行高温处理后，得到以下实验结果：(1) 力学性能：金属样本在高温下的抗拉强度、屈服强度和延伸率均呈现不同程度的下降。
高温使金属材料的晶粒尺寸增大，晶界迁移，导致金属变得更加脆性。
(2) 硬度：高温对金属材料的硬度也有影响，一般情况下，高温下金属的硬度会降低。
(3) 热膨胀系数：金属材料的热膨胀系数是描述其在温度变化下体积或长度变化的重要指标。
实验结果表明，高温会使金属的热膨胀系数增大。
(4) 晶体结构变化：高温下，金属的晶体结构可能发生相变或晶粒长大，导致材料的物理性能发生变化。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.4.2镍基高温合金和合金化原则
γ‘ 相的强化作用
改善晶界偏析的两种途径:
第一，50年代后期,将大气熔炼改成真空熔炼，减低损害 合金性能的化学偏析、脆性金属间化合物或低熔点共晶的 数量。
其次，发展定向凝固技术以形成柱晶的高温合金而消除弱 的横向晶界。随后发展了单晶技术。
3.4.2 铸造高温合金
3.3.3新型高温钛合金的发展思路
提高钛合金耐热性的两个障碍： 一、蠕变 二、热稳定性
什么是金属的蠕变?
金属材料长期在不变的温度和不变的应力作用下， 发生缓慢的塑性变形的现象，称为蠕变。
产生蠕变所需的应力，甚至可以小于材料的弹性 极限。
由于金属蠕变的累积，使金属部件发生过量的塑 性变形而不能使用，或者蠕变进入到了加速发展 阶段，发生蠕变破裂，均会使部件失
1、普通铸造
第三章 高温金属结构材料
3.1引言
航空材料特点： 可靠性 比强度和比刚度高 耐高温 抗疲劳 耐腐蚀 长寿命 低成本
3.2 航空航天高温结构部件的工作特点及对材料的 要求
3.2.1高温结构部件的使用特点
美国国防部要求新一代航空发动机除保证超音速巡 航和超低空突防等能力外，还要求发动机：
铸造β钛合金
Ti153合金：时效效果好，拉伸强度高，有 与Ti－6Al－4V相同的断裂韧性和更好的疲 劳性能。
3.4镍基高温合金
3.4.1高温合金
高温合金的基本要求：
1、具有较高的热稳定性，即在高温下具有抗腐蚀能力 2、具有高的热强度。即在高温下具有高的抵抗塑性变形
和断裂的能力。 3、具有良好的工艺性能。即在冶炼、铸造、热压、焊接
性，改善热稳定性。
Gd2％－强度、塑性和蠕变性能的最佳配合 Y－改善热稳定性和抗蠕变性能。
新的合金元素应具备这样的条件：
在 Ti中应该具有较大的溶解度，
并有较好的强化作用，但形成Ti3X 相的倾 向要比Al、Sn小得多，尽可能避免带来组 织不稳定。
目前，探索到的新合金有Ga、Zn、Pb、 Sb、Bi等。
铸造α钛合金 Ti-6Al-4V Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 500℃
400℃
三种型壳系统
纯石墨型壳系统：导热率高，易产生流痕 和浇不足缺陷。
钨面层型壳系统：原材料昂贵、来源困难、 生产周期长。
氧化物陶瓷型壳系统：原材料来源丰富， 能够浇注形状复杂、薄壁铸件。
金属间相的析出 相的分解 相的聚集和粗化 相的溶入和再析出 有序－无序转变 材料氧化 应力－腐蚀裂纹
发动机材料服役环境： 高温 高载荷 高氧化腐蚀 高性能重量比 高可靠性 高寿命
选择材料的出发点：
3.3 高温钛合金
3.3.1高温钛合金的应用概况 近α钛合金 β钛合金 近β钛合金
产生背景：
20世纪60年代，变形高温合金中铝、钛、铬、钼、钨的 含量不断提高，塑性变形阻力增大，难以进行锻造、轧制 等热加工，或者在加工过程中出现热裂纹和崩裂。
铸造高温合金可以熔人更多的固溶强化元素和第二相强化 元素，使工作温度达到1000℃左右，超过变形高温合金 50－100℃。
铸造高温合金通过精密铸造工艺较容易制成空心或多孔型 叶片，通过对流和气膜冷却，进一步提高了材料的工作温 度。
抗氧化性涂层
渗铝涂层 Pt、Au涂层
Al2O3、ZrO
3.3.4阻燃钛合金
钛合金的自燃特性 美国ALLOYC(Ti-35V-15Cr) 俄罗斯 BTT－1和BTT－3。 我国，Ti－40，Ti4
阻燃合金元素
Cr 铬、钒、钼绝热燃烧温度低于纯钛，可抑
制燃烧蔓延。
3.3.5铸造热强钛合金
3.3.2高温钛合金合金化历程
英美 1954年 美国 Ti-6Al-4V 350－450℃ 60年代 Ti-6246 Ti-6242 450－500℃ 70年代 Ti-6242S 英国 IMI679和IMI685 500℃ 70～80年代期间 IMI829、IMI834和Ti-1100 近600℃ 俄罗斯 早期 BT3-1 400－500℃ 1958年 BT8、BT9 450－500℃ 后来 BT18T、 BT19Y、BT36 600℃
能等）
三高：高推重比，高压比，高涡轮前温度
60年代末，发动机部件的强度设计经历了由强度估算到损 伤容限设计的发展阶段。
3.2 先进高温结构材料的设计原则
发动机高温部件：
压气机、机匣、涡轮、 喷嘴、燃烧室
高温及应力作用下，材料的组织结构不断发生变化，如高温 合金中发生的显微结构的不稳定性，包括：
热稳定性问题
所谓热稳定性问题是指合金在高温下长期 热暴露后因内部析出脆化相和表面被氧化 而变脆。
影响热稳定性因素：
首先，追求强度而采取的高合金化，促使生成非平衡亚稳 组织，合金长时间工作后脆性相析出，导致不稳定；
高温下氧的渗入，在合金表面形成一个富氧层，导致了合 金表面的不稳定。
Si－提高高温抗蠕变性 稀土－强化基体；细化晶粒，提高抗疲劳
和切削加工等方面，要有满意的工艺性。
热强度及其指标
1、蠕变强度 2、持久强度 3、高温短时强度和高温疲劳强度
提高热强性的途径
从热稳定性方面来说，主要是加铬提高抗蚀性。 从热强度方面来说：
1、用熔点较高的金属作为高温合金的基体。 2、对基体金属进行合金化：强化基体，提高再 结晶温度；加入合金元素强化晶界。 3、利用铸造组织。 4、热处理。
F119就是在这种背景条件下研制成功的第一台全新设计的 西方第四代航空涡扇发动机。
燃气涡轮发动机的涡轮叶片材料性能：
高的抗氧化能力（即高的热稳定性） 足够的热强性（即能在更高的温度下具有抗蠕变和断裂的
能力） 满意的塑性和韧性； 更高的热疲劳性（即对能引起热应力的热交换的敏感性要
低） 足够高的低循环疲劳强度 良好的耐蚀能力（保持叶片的空气动力性能） 高的导热性和低的热膨胀系数 良好的工艺性能（即良好的焊接性能，锻造性能及铸造性