金屬高溫力學性能

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1、第八章金屬高溫機械性能歷史背景：古代：懸掛的鉛管自身伸長現(xiàn)象1905年：菲利普斯發(fā)表關于金屬絲、橡膠、玻璃在恒定拉應力作用下緩慢延伸的實驗結果1922年：狄根遜提出:在相當長時間內承受應力時，尤其是在高溫下，任何材料在低于σb(室溫或試驗溫度)時也會發(fā)生破壞——蠕變的研究第一節(jié)概述火箭發(fā)動機、汽輪機、石油化工機械等發(fā)展——高溫(T)、長期(t)一、溫度對金屬材料機械性能影響1、通常金屬的變形抗力隨溫度↑而↓：隨T↑,σ、HB↓；2、原因：——晶格阻力下降，原子活動能力提高(1)位錯運動障礙↓；(2)位錯運動方式↑：交滑移、攀移；(3)存在回復、再結晶等軟化機制；(4

2、)存在晶界運動等形變機制。注意：金屬間化合物高溫強度的反常性二、時間對金屬材料力學性能的影響高溫下力學性能與載荷持續(xù)時間關系很大：例如：鋼的σb隨載荷持續(xù)時間↑而↓。故常溫下研究時：應力－應變曲線高溫下研究時：應力－應變+溫度+時間三、溫度和時間對斷裂路徑的影響溫度T↑，載荷t↑，斷裂由穿晶斷裂過渡到沿晶斷裂。原因：隨溫度T↑，晶界強度下降速度快于晶內強度的下降。**等強溫度(TE)概念——晶粒與晶界兩者強度相等的溫度，稱為等強溫度。TTE時，沿晶斷裂。溫度和變形速率對金屬斷裂路徑的影響晶界強度對變形速度的敏感性比晶內強度大，所以，變形速率↑

3、，TE↑。a）等強溫度TEb）變形速率對TE的影響當約比溫度>0.5時——高溫狀態(tài)。當約比溫度<0.5時——低溫狀態(tài)。1如何判斷高溫、低溫：不同的金屬材料，在同樣的約比溫度下，其蠕變行為相似，力學性能的變化規(guī)律也是相同的。四、高溫下的蠕變現(xiàn)象與應力松弛現(xiàn)象2高溫下的蠕變現(xiàn)象與應力松弛現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象：后敘應力松弛：在規(guī)定溫度和初始應力條件下，金屬材料中的應力隨時間增加而減小的現(xiàn)象。一、蠕變現(xiàn)象1、蠕變概念：金屬在長時間的恒溫、恒載荷作用下（即使σ<σ0.2）緩慢地產生塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變?！s比溫度T/Tm>0.3時須考慮碳鋼加熱T>300℃，必須考慮蠕變。2、蠕

4、變斷裂：由蠕變而最后導致材料的斷裂第二節(jié)金屬的蠕變現(xiàn)象3、蠕變曲線oa:瞬時應變ε0（彈＋塑）abcd:隨時間延長而產生的應變ε：蠕變典型蠕變曲線蠕變速度：第一階段：減速蠕變階段（過渡蠕變階段）原因：加工硬化占主體第二階段：恒速蠕變階段（穩(wěn)態(tài)蠕變階段），加工硬化＋回復等軟化機制，相等第三階段：加速蠕變階段隨t↑，蠕變速率↑，直至蠕變斷裂。——裂紋的形成與擴展應力和溫度對蠕變曲線的影響（1）σ↑、t↑，蠕變斷裂時間↓；（2）σ↑、t↑，穩(wěn)定蠕變階段↓；同一材料的蠕變曲線隨應力、溫度而變。σ4>σ3>σ2>σ1t4>t3>t2>t1應力或溫度升高，蠕變第二階段縮短蠕變過

5、程中的矛盾：強化←加工硬化軟化←回復、再結晶及其它擴散過程二、蠕變過程中變形與斷裂機制1、蠕變的變形機制常溫下：位錯的增殖與運動→產生塑性變形→位錯運動受阻→變形停止。高溫下：外界提供熱激活能，促進原子擴散→位錯持續(xù)運動→產生了蠕變變形。(1)位錯滑移蠕變T≈Tm／2，又稱高溫蠕變變形時，T↑→原子擴散加劇→位錯攀移引起動態(tài)回復（異號位錯對相消，形成多邊形結構）→形成亞晶→位錯運動阻力下降→進一步蠕變變形?！獎討B(tài)回復起主要作用異號位錯的合并；同號位錯的規(guī)整化——形成回復亞晶，——多邊形化(2)擴散蠕變在更高溫度（甚至接近于Tm時）→原子擴散進一步加劇→較多數(shù)量的原

6、子(空位)直接發(fā)生遷移性擴散→擴散蠕變。2、蠕變斷裂機制主要晶界斷裂→宏觀上為典型的脆性破壞。晶界的結構、性質，晶界析出物，與外加應力的取向等均對蠕變斷裂產生重大影響。機制一：在三晶粒交會處形成楔形裂紋高應力，較低溫度下，晶界滑動在三晶粒交匯處受阻→應力集中→形成空洞→相互連接形成楔形裂紋→長大→引起斷裂楔形裂紋形成示意圖機制二：在晶界上由空洞形成晶界裂紋較低應力，較高溫度下，當晶界受垂直拉應力作用時，周圍晶界或晶粒內部的空穴聚集于此晶界，形成空洞核心→空洞超過臨界尺寸（r）而穩(wěn)定存在→長大→引起斷裂。空洞位置：晶界上的凸起部位，細小的第二相質點附近，（晶界夾雜物）

7、晶界滑動形成空洞示意圖a）晶界滑動與晶內滑移帶交割b）晶界上存在第二相質點一、蠕變極限高溫長期載荷作用下，材料對塑性變形的抗力指標——引入蠕變極限第三節(jié)金屬高溫力學性能指標蠕變極限的表示方法一：在給定的溫度下，使試樣在蠕變第二階段產生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力。600℃1×10－5％/h蠕變極限的表示方法二：在給定溫度t和規(guī)定時間τ(小時)內，使試樣產生規(guī)定蠕變變形量δ的最大應力。500℃100000h總伸長為1%二、持久強度極限蠕變極限高溫長期載荷下對塑性變形的抗力（考慮了變形量）持久強度極限高溫長期載荷下對斷裂的抗力（不考慮變形量）持久強度極限在給定溫度t下