金属材料的高温力学性能

e）持久塑性： 用试样断裂后的延伸率和断面收缩率来表示 反映材料在高温长时作用下的塑性性能 蠕变脆性：在短时试验塑性很高，高温长时加载后塑性
显著降低（有的仅1%）
➢持久塑性不能外推
2. 蠕变过程的组织变化、变形和断裂机制
1）组织变化 a）形变分布不均匀 第一阶段：亚晶形成；第二阶段：尺寸增加到一定大小后
• 温度、在高温下载荷持续的时间对材料的力学性能影 响很大。
• 如化工设备中高温高压管道，虽然承受的应力小于该 工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中会 产生连续的塑性变形，即蠕变现象，使管径逐步增大， 如果选材、使用不当，会导致管道破裂。
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• 在高温短时载荷作用下，金属材料塑性增加。
1. 位错克服障碍的能力加强，形式也有变化 交滑移或攀移的方式越过障碍
2. 新的滑移系开动 Al出现{100}<100>和{211}<110>滑移系
3. 新的变形机制 晶界强度低于晶内强度并参与变形
一、 金属的蠕变与持久
1. 蠕变、蠕变极限及持久强度 1）高温蠕变曲线及其测定
蠕变：金属在恒温、恒应力 作用下，随时间变化，缓慢 产生塑性变形的现象
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• 温度的“高”或“低”是相对该金属的熔点来 讲的，一般采用“约比温度（T/Tm）”更为 合理。 T/Tm>0.4～0.5 →高温
• 本章主要介绍材料在高温长时载荷作用下的蠕 变现象，讨论蠕变变形和断裂机理、高温力学 性能指标与影响因素。
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高温力学性能特点
➢材料强度随温度升高而降低：
c）蠕变极限与持久强度比较
➢ 蠕变极限表征高温下材料的抗变形能力，持久强度则 表征材料的抗断裂能力
➢ 持久试验比蠕变试验简单
➢ 选材时标准的不同
d）持久强度测定 持久寿命：在给定的温度和应力下试样断裂的时间
应力与持久寿命的关系（外推依据） t A B
lg t lg A B lg
➢lgt和lgσ并不真正符合线性关系；测出折点后再外推， 时间不超过一个数量级
b）意义和作用：表征对蠕变变形的抗力；选材依据
c）表示方法：
➢ 在规定温度下，当蠕变第二阶段的蠕变速率恰好等于某
一规定值时，对应的应力值为蠕变极限，记为
T
例如：
500 105
= 80 MN/mm2
➢ 在一定温度下，在规定的时间内，恰好产生某一允许的总
变形量，其所对应的应力确定为蠕变极限，记为
T
金属材料的高温力学性能
主要内容
1. 蠕变及其组织变化、变形和断裂机制 2. 应力松弛的现象、本质、稳定性
前言
喷气发动机的工作温度在700℃左右
民用机接近1500℃，而军用机在2000℃左右。
航天器的局部工作温度可达2500℃。
高温：再结晶温度（0.4~0.5）Tm以上
• 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。
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2）影响蠕变过程的参数 温度和应力
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。
3）蠕变极限
a）定义：在规定的温度和时间内，达到规定蠕变变形量或 蠕变速度时所能承受的最大应力。
a）位错滑移蠕变 变形硬化和软化共同作用形成蠕变三阶段 硬化：位错受到障碍阻滞 软化：位错借助热激活和空位扩散来克服障碍
b）晶界滑动蠕变
晶界运动两种形式： 滑动：晶界两边的晶体沿界面相对错动
温度升高，晶粒度减小，滑动对变形贡献增大 移动：晶界沿法线方向运动
t
例如：
500 1 10000
=
100MN/mm2
两种表示方法的比较：
T
适用于蠕变速率大而且服役时间短的情况
T
t
适用于服役时间长，蠕变速率小的情况
表达方式：
(1) 在规定温度（t）下，使试样在规定时间内产生 的稳态蠕变速率不超过规定值时的最大应力。
(2) 在规定温度与试验时间内，使试样产生的蠕变 总伸长率不超过规定值的最大应力。
应力和蠕变速率关系式取对数 lg lg A n lg
只能外推一个数量级：组织不稳定，第二相析出、长大或溶解
4）持久强度与持久塑性
a） 持久强度：在一定的温度和规定时间内，不发生蠕变断
裂的最大应力，记为
T t
例如：
600 1000
=
200
MPa
b）意义和作用：表征对蠕变断裂的抗力；选材依据
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d）蠕变极限的测定
外推法：通过较高应力下的短时间试验测定的蠕变极限来推 测较低应力下长时间蠕变的蠕变极限
温度相同－－外推同一温度下的蠕变极限
多个不同的较高应力－－保证外推的可靠性
应力和蠕变速率的既定关系－－外推的依据
A n
A, n是材料常数
纯金属：n=4~5；固溶体：n=3；弥散强化合金：n=30~40
基本不变；第三阶段：没有大的变化 b）发生再结晶现象 低温蠕变：完全不发生回复和再结晶 高温蠕变：同时进行回复和再结晶。再结晶不一定在回复
完成之后才开始。
c）复杂组织变化 持续应力作用加速新相的形核与长大 固溶原子沿应力梯度定向移动，使第二相择优溶解或集聚
2）变形机制 a）位错滑移蠕变：与位错的滑移和攀移有关 b）晶界滑动蠕变：与晶界性质有关 c）空位扩散蠕变：高温低应力，位错无法运动条件下
金属拉伸蠕变实验方法 GB2039-80
蠕变及蠕变速率曲线
蠕变速率
•
d
dt
Ⅰ：减速蠕变阶段 Ⅱ：恒速蠕变或稳态蠕变阶段
蠕变速率最小 Ⅲ：加速蠕变阶段
来自百度文库
• 在蠕变第一阶段：由于蠕变变形逐步产生应变 硬化，使位错源移动的阻力及位错滑移的阻力 逐渐增大，使得蠕变速率不断降低。
• 在蠕变第二阶段：由于应变硬化的发展，促进 了动态回复的进行，使金属不断软化。当应变 硬化与回复软化达到平衡时，蠕变速率为常数。
• 在高温长时载荷作用下，金属材料塑性降低， 缺口敏感性增加，呈现脆性断裂。
• 由于金属在长时高温载荷下会产生蠕变现象，
对于在高温下工作、依靠原始弹性变形获得工
作应力的机件，如高温管道内用的螺栓等，就
可以随着时间的延长，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，以致失效。
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