金属高温力学性能解析
金属材料的高温力学性能
金属材料的高温力学性能金属材料是人类使用历史最长、应用最广泛的材料之一，它们具有优异的物理、化学、机械性能，被广泛应用于航空、航天、能源、交通等各个领域。
然而，金属材料在高温环境下的性能往往会发生改变，这是由于高温下金属原子的热振荡增强、晶格缺陷数量增加、化学反应加剧等因素所引起的。
因此，研究金属材料在高温下的力学性能至关重要。
一、高温下的材料微观结构演化高温下的金属材料，由于温度升高，原子热振荡幅度增大，晶体缺陷数量增多，导致材料的微观结构发生变化。
这些变化可能包括晶界迁移、堆垛错的生成或消除、晶体内部的位错增生等。
晶界是晶体中不同晶粒之间的界面，它们对材料的力学性质有重要影响。
在高温下，晶界可以通过晶界迁移的方式发生变化，导致晶界能量状态的变化。
此外，晶界周围的原子往往富集了一定的缺陷，如间隙位错和堆垛错，它们的运动和相互作用也会影响晶界的状态和材料的性能。
堆垛错是晶体内的一种结构缺陷，它由两个错排面的夹层形成，每个面上原子的相对位错是相同的。
在高温下，由于材料中原子的位移不断增加，堆垛错很容易形成或消除。
其运动和移动方式也会对材料的塑性和损伤机制产生影响。
位错是晶体中一种线性缺陷，它是原子排列不完整或存在错位引起的，具有一定的移动和滑移性质。
在高温下，位错的数量会增加，位错的移动会产生变形，从而影响材料的塑性和损伤行为。
二、高温下的材料力学性能高温下，金属材料的力学性能会发生变化，如强度、延展性、断裂韧性等性质均可能发生变化。
强度是指材料承受外力时的抗拉、抗压、抗弯等能力。
在高温下，金属材料的强度往往会降低，这是由于高温下原子位移的增加、晶界的变化、位错的运动等因素所致。
延展性是指材料在拉伸或压缩过程中发生形变的能力。
在高温下，金属材料的延展性往往会增加，因为高温下原子的位移增强，晶体缺陷的数量增多，使得位错滑移和塑性变形更容易发生。
断裂韧性是指材料在受到外力时发生裂纹扩展的能力。
在高温下，金属材料的断裂韧性往往会减小，因为高温下材料的位移增强，裂纹扩展较容易发生，从而导致断裂韧性的下降。
金属材料在高温下的力学性能研究
金属材料在高温下的力学性能研究高温环境下的金属材料是一种特殊情况下需要考虑的重要材料类型，由于其在高温下的热膨胀、热应力等特性，使它们的使用条件比其他类型的材料更为苛刻。
因此，在实际应用中需要对高温下的金属材料的力学性能进行深入研究，以更加准确地预测和控制其行为。
力学性能是指材料受到外界应力作用时表现出来的力学特性，其中包括材料的强度、韧性、塑性、硬度、疲劳性能等，这些特性对工程应用中的结构和构件受力行为产生影响。
高温下的力学性能研究着重于研究金属材料在高温下的这些力学特性的变化规律。
首先，高温下的金属材料的强度是很大程度上受到热膨胀的影响的。
一般来说，金属材料在高温下具有较高的热膨胀率，当金属材料受到外部应力时，它们的内部就会发生变形，从而导致材料受力性能的变化。
此外，高温环境下的金属材料会逐渐失去塑性，严重的会导致裂纹或者失效。
因此，在设计和制造高温结构时需要关注材料的强度，以确保其在高温下能够承受预期的负载。
其次，高温下的金属材料的塑性和韧性也相应地受到影响。
一方面，高温下金属材料产生的热应力和组织结构变化会导致其内部形成裂纹和变形，从而影响其塑性和韧性。
另一方面，在高温条件下，材料的晶粒也会逐渐变大，这会对其塑性和韧性产生负面影响。
针对此问题，可以通过合理控制金属材料的化学成分和制造工艺等手段来优化材料的微观结构，以提高其塑性和韧性，并最终保证结构在高温环境下的稳定性。
此外，高温下金属材料的疲劳性能也是需要考虑的重要因素。
疲劳损伤是由交变应力引起的，在高温下由于力学性能的变化会更容易发生。
而且，高温下的颗粒因其在高温条件下不稳定，有可能会加剧疲劳损伤的发生。
因此，在高温环境下，需要对金属材料的疲劳性能进行更加精确的研究和分析，以保证金属材料在高温环境下有足够的耐久性和可靠性。
最后，高温下金属材料的硬度也是一个需要考虑的重要因素。
高温下的硬度变化会导致制造的构件失去原有的设计性能，从而使结构的稳定性产生影响。
第八讲 金属高温力
可通过高温拉伸持久试验测定。
三、剩余应力
金属材料抵抗应力松弛的性能称为稳定性，可通过应 力松弛试验测定应力松弛曲线来评定。应力松弛试验 中，任一时间试样上所保持的应力称为剩余应力 sh 。 四、影响高温力学性能的主要因素 控制晶内和晶界原子的扩散过程可提高金属材料的 高温力学性能，扩散过程主要受合金成分影响，并与 冶炼工艺、热处理工艺等因素有关。
第八讲 金属高温力学性能
等强温度：晶粒与晶界两者强度相等的温度为等强温 度，随变形速率增加而升高。两者都随温度升高而降低， 但晶界强度下降较快。 约比温度（t/tm）：大于0.5时为高温；反之为低温。
第一节
金属的蠕变现象
高温下金属力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。 蠕变：就是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（约比温度大于0.3时比较显著）。 蠕变断裂：蠕变变形最后导致金属材料的断裂。 蠕变过程用蠕变曲线描述，曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率，根 据其变化情况，可将其过程分为三个阶段：
二、蠕变断裂机理
晶界上形成裂纹并逐渐扩展：
1、在三晶粒交会处形成的楔形裂纹 在高应力和较低温度下，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 在较低应力和较高温度下产生的裂纹，出现在晶 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，空洞长大并连接便形成裂纹。
2、冶炼工艺的影响 夹杂物与某些冶炼缺陷会使材料持久强度极限降低， 严格控制杂质元素和气体含量；对某些高温使用合金可 采用定向凝固，使柱状晶沿受力方向生长，减少横向晶 界，可提高持久寿命。 3、热处理工艺 4、晶粒度 晶粒大小对金属材料高温力学性能影响很大。使用温度 低于等强温度（晶界与晶内强度相等的温度）时，细晶 粒钢有较高的强度；当使用温度高于等强温度时，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 太大会降低高温下的塑性和韧性。
耐高温材料金属
耐高温材料金属
耐高温材料金属是一种能够在高温下保持其结构稳定性和性能的材料。
由于其具有非常出色的防火性和耐高温性能，因此广泛应用于航空航天、
船舶、汽车、石油化工、电力等领域。
本文将从金属的力学特性、物理特
性和化学特性三个方面进行详细描述。
1.金属的力学特性
金属的耐高温性能主要取决于其力学特性。
高温会使金属材料发生相
应的变化，包括热膨胀、流动、软化、变形等。
因此耐高温材料必须具有
高的热稳定性和高坚韧性。
（1）热稳定性
金属材料在高温下易发生氧化、腐蚀、晶粒长大、热膨胀等问题。
因此，耐高温材料应具有高的抗氧化性、抗腐蚀性和抗晶粒长大能力。
例如，钼、钨等金属在高温下不会与空气反应，从而具有良好的热稳定性。
（2）坚韧性
高温会导致金属材料软化，易发生变形、裂纹等问题。
因此，耐高温
材料必须具有高的坚韧性。
例如，镍基合金、钴基合金等材料具有较高的
抗拉伸强度和弹性模量，能够在高温下保持较好的机械性能。
2.金属的物理特性
金属的物理特性对其耐高温性能也有较大影响。
例如密度、导热性、
热扩散系数等都是影响金属材料在高温下性能的重要因素。
（1）密度
（2）导热性
3.金属的化学特性
总之，耐高温材料金属是一种能够在高温下保持其结构稳定性和性能
的材料。
其力学特性、物理特性和化学特性都对其耐高温性能有重要影响。
通过对这些特性的理解和优化，可以开发出更高效、耐用的耐高温材料，
在航空航天等高科技领域具有广阔的应用前景。
8金属高温力学性能
T>0.4~0.5Tm；高分子。 蠕变：材料(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。(注意 与应力松驰的区别) 蠕变断裂：由蠕变变形导致的材料的断裂。
二、蠕变曲线
蠕变速率 d
dt
减速蠕变阶段，开始大，逐渐减速； 恒速蠕变阶段，速度几乎保持不变； 加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断裂。
1、抗氧化性 2、抗生长性 3、热强性 材料在高温、长时间和应力的作用下，抵
抗变形和断裂的能力。 包括：持久强度、蠕变强度、高温疲劳强
度、高温硬度等。
二、影响高温强度的因素
σb=f(T，τ，v) 1、温度 (1) 强度下降：蠕变现象；强度与时间有关系。 (2) 塑性下降：高温短时载荷作用下，塑性升高；
8 金属高温力学性能
锅炉、汽轮机、发动机、飞船的外壳等， 长期在高温情况下工作。
对材料的高温性能有一定或特别的要求。 高温服役：研究应力、应变、温度与时间
的关系。 温度的高低，是相对金属的熔点而言，故
采用约比温度：Trg=T/Tm(单位为K)。 Trg>0.5，高温；Trg<0.5，低温。
一、常见的高温性能
晶格阻力 (2) 显微组织 晶粒度适当加大；结构复杂的第二相，并形成网
状骨架； 2、提高冶炼质量和采取热处理 减少低熔点夹杂物；晶内形成多边化的亚晶界(热
处理后)。
8.4 其它高温力学性能
一、高温短时拉伸性能 高温短时拉伸试验主要是测定金属材料在高于室
温时的抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩 率等性能指标。 二、高温硬度 工具材料(红硬性)，高温轴承。 测高温硬度的压头。 载荷不宜过大，并需根据试验温度的高低改变载 荷大小，以保证压痕清晰和完整。
金属材料在高温高压环境下的力学性能研究
金属材料在高温高压环境下的力学性能研究随着我国工业化的飞速发展，越来越多的重要设备需要承受高温、高压和强烈的腐蚀等极端环境下的作用，这些要求使得金属材料在这种极端环境下的力学性能变得至关重要。
因此，金属材料的研究成为热门话题，与此同时，也吸引了越来越多的科学家投入到这一领域的研究之中。
1. 高温高压下金属材料的研究研究表明，许多金属材料的力学性能在高温、高压的条件下都会发生剧烈的变化。
以高温环境为例，金属材料在高温下往往会发生微观结构的变化甚至出现晶粒细化等情况。
这些变化都会对金属材料的力学性能产生深刻的影响。
此外，高压环境下也会产生类似的变化。
高压环境可以导致金属材料的原子之间的距离变得更加紧密，微观结构因此也会发生改变。
并且，许多材料在高压条件下会发生相变，这些相变过程也会对金属材料的性能产生重要的影响。
因此，高温高压下金属材料的研究对于提高其力学性能具有非常重要的意义。
2. 金属材料在高温高压下的变形行为金属材料在高温高压环境下的变形行为也是比较复杂的。
一方面，高温高压下材料的变形行为可能会发生类观的变化，如在高压条件下，材料的屈服特征可能会发生密集沿晶屈曲的现象。
另一方面，当应力升高到一定程度时，材料会发生塑性屈服，因此需要进一步通过试验和数值模拟来研究材料的力学性能和变形行为。
3. 数值模拟的应用数值模拟是一种非常重要的研究金属材料在高温高压环境下力学性能的方法。
数值模拟可以以更加客观的方式预测材料的性能和力学行为，同时还可以对材料的特性进行更深入的研究。
在数值模拟研究中，通过对材料的微观结构进行建模，可以对材料的性质进行分析。
接着，利用有限元方法对材料的力学性能进行仿真模拟，在此基础上得出金属材料在高温高压下的力学性能变化规律和力学行为。
在实际应用中，数值模拟还可以用于设计金属材料及其制品。
通过合理的模拟和分析，可以帮助工程师们设计出更加具备优异性能的金属材料和结构，从而满足未来工业发展的要求。
金属高温力学性能
t /
总伸长量为1%
500℃
500 1/105
100MPa
100000h
29/37
二、持久强度极限 蠕变极限: 高温长期载荷下对塑性变形的
抗力(考虑了变形量)。 持久强度极限: 高温长期载荷下对断裂的
抗力(不考虑变形量)，指的是在给定温度t下， 达到规定的持续时间τ而不发生断裂的最大应 力，以MPa表示。
换句话说, 在一定温度/应力下可能有多种变形机制起作用, 如位错攀移蠕变和空位扩散蠕变同时发生, 但温度高、应力低时 扩散蠕变所产生的应变量比攀移蠕变产生的应变量大, 此时“占优 势”的机制是扩散蠕变。材料的变形机制图就是该材料在给定的温 度/应力下占优势的变形机制及变形速率的图示。
23/37
图8-8 纯镍的应力-温度变形机制图
24/37
2.蠕变断裂机制
主要是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并 逐渐扩展而引起的，宏观上为典型的脆性破坏。
(1) 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→应力集中→形成空洞→相互连接形 成楔形裂纹→长大→引起断裂(晶界)。
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图8-9 三岔晶界处形成楔形裂纹
1/37
第八章 金属高温力学性能
历史背景： (1) 古代，人们发现悬挂的铅管自身伸长现
象。 (2) 1905年菲利普斯发表关于金属丝、橡
胶、玻璃在恒定拉应力作用下缓慢延伸的实验 结果。
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(3) 1922年狄根逊提出，在相当长时间内承受应力时， 尤其是在高温下，任何材料在低于σb(室温或试验温度)时也 会发生破坏——蠕变的研究。
图8-4 刃型位错攀移克服障碍的模型
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(2) 扩散蠕变 在更高温度(甚至接近于Tm时)→原子扩散 进一步加剧→较多数量的原子(空位)直接发生 迁移性扩散→扩散蠕变。
金属材料在高温下的力学性能
金属材料在高温下的力学性能随着科技的不断发展，高温下的金属材料应用越来越广泛。
在航天、能源等领域中，机器和设备都需要承受高温环境带来的极大影响。
因此，研究金属材料在高温下的力学性能至关重要。
本文将从金属材料的高温本质讲起，通过分析金属的结构、组成和变形规律等方面探讨金属在高温下的力学性能，以及解决这些问题的一些方法。
1. 高温环境对金属材料的影响首先，我们需要了解高温环境对金属材料的影响。
高温环境下，金属会受到温度、氧化等外部条件的影响产生变化。
一些金属会因为氧化，产生表面膜，从而影响其力学性能。
另一些金属则可以利用氧化程度较低的方法来保护金属表面。
但是，这些方法都不能完全避免在高温下金属表面的变化，因此，高温下金属材料的力学性能是一个值得研究的问题。
2. 金属材料在高温下的变形规律金属材料在高温下的变形规律实际上是由金属晶体的结构、组成和行为而决定的。
每个晶体需要经历一系列复杂的形变过程，在高温下，本身就带有热能，所以这些过程会变得更加复杂和困难。
随着温度的升高，这些晶体会经历多种形变之后，最终形成微观结构的变化和塑性形变。
这其中涉及到了很多的数学模型和科学方法，为了更好地探讨这些问题，需要发展出更加高效和精确的数学模型和科学方法。
3. 解决高温下金属材料的力学性能问题的方法针对金属材料在高温下的力学性能问题，科学家们进行了大量的研究。
解决这些问题的方法主要有以下几种：（1）利用结晶学的理论研究金属材料的微观结构和组成，从而更好地理解其形变和塑性形变过程，寻找最优化的处理方法，提高金属材料的强度和韧性。
（2）使用先进的计算机模拟方法，模拟金属材料在高温下的变形和变化过程，从而可以更加准确地预测和分析不同金属材料的力学性能。
（3）在工程中应用高强度、高韧性和高温抗性的金属合金材料，通过改变其组成和结构，优化其力学性能，提高其抗损耗性和耐蚀性。
（4）开展一些新的研究工作，寻找新的材料和技术，来解决金属材料在高温下的力学性能问题，包括超高温合金研究等。
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——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 系出物与杂质物的影响 加入合金元素，生成弥散强化相，阻碍滑移和攀移，
↑高温强度。 ——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 ——非金属夹杂物有害
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
1
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： 在高温下，载荷持续时间对力学性能 有很大影响。 例 如 ： 钢 的 σb 随 载 荷 持 续 时 间 ↑ 而 ↓
在给定温度t下，达到规定 的持续时间τ而不发生断裂的
最大应力，以MPa表示。
用t 表示: 1701003＝30MPa，
表示该合金在700C、1000h的 持久强度极限为30MPa。
蠕变极限 高温长期载荷下对塑性
变形的抗力（考虑了变形量）
持久强度极限 高温长期载荷下对断
裂的抗力（不考虑变形量）
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（以前用σsh）。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（以前用σso） 。
5
金属的蠕变过程
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。
应力较小、温度较低时：蠕变的恒速蠕变阶段持续时间长， 甚至不出现加速蠕变阶段；
应力较大、温度较高时：蠕变恒速蠕变阶段持续时间短，甚 至消失，试样在短时间内断裂，主要为加速蠕变。
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 →应力集中→形成空洞→相互连接形成楔形裂纹→长大→ 引起断裂
楔形裂纹形成示意图
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 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 核心→空洞超过临界尺寸（r）而稳定存在 →长大→引起断裂。
属，蠕变极限↑。——高温材料设计依据 自扩散系数： bcc>fcc>hcp>金钢石型 ——自扩散系数大，自扩散激活能小
故：——fcc的蠕变极限>bcc
——金钢石型的陶瓷材料具有优良的或微量杂质原子，尤其是高熔点、
与基体金属原子尺寸相差较大的溶质原子，可使蠕 变极限提高。
15
初始应力σ0
松弛试验中，试样上所减少 的应力——松弛应力σso
任一时间试样上所保持的 金属应力松弛曲线 应力——剩余应力σsh
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。
四、影响金属高温力学性能的主要因素 1、基体金属与晶体结构的影响 通常熔点高，自扩散激活能大，层错能低的金
当约比温度>0.5时——高温状态。 当约比温度<0.5时——低温状态。
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。
4
§8－1 金属的蠕变现象
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。
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。
6
蠕变
应力松弛
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。
金属应力松弛曲线
7
§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
在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕
变速率的最大应力。
t
600℃
600 1105
80MPa
1×10－5 ％/h
2. 在 给 定 温 度 t 和 规 定 时 间 τ(小时)内，使试样产生规定蠕 变变形量δ的最大应力。
t /
500℃
500 1/105
100MPa
总伸长为1%
100000h
二.持久强度极限
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）
§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。
是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。
12
蠕变极限的表示方法
1.在给定的温度下，使试样
常温下：
位错的增殖与运动→产生塑性变形
→位错运动受阻→变形停止。
高温下：
外界提供热激活能，促进原子扩散
→位错持续运动→产生了蠕变变形。
8
（二）扩散蠕变
在更高温度（约比温度 t/tm>0.5，甚至接近于Tm时） →原子扩散进一步加剧 →较多数量的原子(空位)直接 发生迁移性扩散
→扩散蠕变。
二、蠕变断裂机理
2
温度和时间对断裂路径的影响 温度T↑，载荷t↑ ，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↑，TE↑。
等 强 温 度 (TE) 概 念 —— 晶 粒 与晶界两者强度相等的温度， 称为等强温度。
T<TE时，穿晶断裂。 T>TE时，沿晶断裂。
3
约比温度
使用温度 (K) 合金熔点(K)
4、晶粒度的影响 T<TE，细晶粒钢强度高。 T>TE，粗晶粒钢强度高。 采用适当的晶粒度，例2－3级 ——因为晶粒太大，δ↓，Ak↓