金屬高溫力學(xué)性能

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1、第八章金屬高溫機(jī)械性能歷史背景：古代：懸掛的鉛管自身伸長(zhǎng)現(xiàn)象1905年：菲利普斯發(fā)表關(guān)于金屬絲、橡膠、玻璃在恒定拉應(yīng)力作用下緩慢延伸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果1922年：狄根遜提出:在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受應(yīng)力時(shí)，尤其是在高溫下，任何材料在低于σb(室溫或試驗(yàn)溫度)時(shí)也會(huì)發(fā)生破壞——蠕變的研究第一節(jié)概述火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、石油化工機(jī)械等發(fā)展——高溫(T)、長(zhǎng)期(t)一、溫度對(duì)金屬材料機(jī)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(dòng)能力提高(1)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙↓；(2)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方式↑：交滑移、攀移；(3)存在回復(fù)、再結(jié)晶等軟化機(jī)制；(4

2、)存在晶界運(yùn)動(dòng)等形變機(jī)制。注意：金屬間化合物高溫強(qiáng)度的反常性二、時(shí)間對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響高溫下力學(xué)性能與載荷持續(xù)時(shí)間關(guān)系很大：例如：鋼的σb隨載荷持續(xù)時(shí)間↑而↓。故常溫下研究時(shí)：應(yīng)力－應(yīng)變曲線高溫下研究時(shí)：應(yīng)力－應(yīng)變+溫度+時(shí)間三、溫度和時(shí)間對(duì)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(qiáng)度下降速度快于晶內(nèi)強(qiáng)度的下降。**等強(qiáng)溫度(TE)概念——晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的溫度，稱為等強(qiáng)溫度。TTE時(shí)，沿晶斷裂。溫度和變形速率對(duì)金屬斷裂路徑的影響晶界強(qiáng)度對(duì)變形速度的敏感性比晶內(nèi)強(qiáng)度大，所以，變形速率↑

3、，TE↑。a）等強(qiáng)溫度TEb）變形速率對(duì)TE的影響當(dāng)約比溫度>0.5時(shí)——高溫狀態(tài)。當(dāng)約比溫度<0.5時(shí)——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(xué)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(yīng)力松弛現(xiàn)象2高溫下的蠕變現(xiàn)象與應(yīng)力松弛現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象：后敘應(yīng)力松弛：在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料中的應(yīng)力隨時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下（即使σ<σ0.2）緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變?！s比溫度T/Tm>0.3時(shí)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(dǎo)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(shí)應(yīng)變?chǔ)?（彈＋塑）abcd:隨時(shí)間延長(zhǎng)而產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)牛喝渥兊湫腿渥兦€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(fù)等軟化機(jī)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?！鸭y的形成與擴(kuò)展應(yīng)力和溫度對(duì)蠕變曲線的影響（1）σ↑、t↑，蠕變斷裂時(shí)間↓；（2）σ↑、t↑，穩(wěn)定蠕變階段↓；同一材料的蠕變曲線隨應(yīng)力、溫度而變。σ4>σ3>σ2>σ1t4>t3>t2>t1應(yīng)力或溫度升高，蠕變第二階段縮短蠕變過

5、程中的矛盾：強(qiáng)化←加工硬化軟化←回復(fù)、再結(jié)晶及其它擴(kuò)散過程二、蠕變過程中變形與斷裂機(jī)制1、蠕變的變形機(jī)制常溫下：位錯(cuò)的增殖與運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生塑性變形→位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻→變形停止。高溫下：外界提供熱激活能，促進(jìn)原子擴(kuò)散→位錯(cuò)持續(xù)運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生了蠕變變形。(1)位錯(cuò)滑移蠕變T≈Tm／2，又稱高溫蠕變變形時(shí)，T↑→原子擴(kuò)散加劇→位錯(cuò)攀移引起動(dòng)態(tài)回復(fù)（異號(hào)位錯(cuò)對(duì)相消，形成多邊形結(jié)構(gòu)）→形成亞晶→位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力下降→進(jìn)一步蠕變變形。——?jiǎng)討B(tài)回復(fù)起主要作用異號(hào)位錯(cuò)的合并；同號(hào)位錯(cuò)的規(guī)整化——形成回復(fù)亞晶，——多邊形化(2)擴(kuò)散蠕變?cè)诟邷囟龋ㄉ踔两咏赥m時(shí)）→原子擴(kuò)散進(jìn)一步加劇→較多數(shù)量的原

6、子(空位)直接發(fā)生遷移性擴(kuò)散→擴(kuò)散蠕變。2、蠕變斷裂機(jī)制主要晶界斷裂→宏觀上為典型的脆性破壞。晶界的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，晶界析出物，與外加應(yīng)力的取向等均對(duì)蠕變斷裂產(chǎn)生重大影響。機(jī)制一：在三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋高應(yīng)力，較低溫度下，晶界滑動(dòng)在三晶粒交匯處受阻→應(yīng)力集中→形成空洞→相互連接形成楔形裂紋→長(zhǎng)大→引起斷裂楔形裂紋形成示意圖機(jī)制二：在晶界上由空洞形成晶界裂紋較低應(yīng)力，較高溫度下，當(dāng)晶界受垂直拉應(yīng)力作用時(shí)，周圍晶界或晶粒內(nèi)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(zhǎng)大→引起斷裂。空洞位置：晶界上的凸起部位，細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)附近，（晶界夾雜物）

7、晶界滑動(dòng)形成空洞示意圖a）晶界滑動(dòng)與晶內(nèi)滑移帶交割b）晶界上存在第二相質(zhì)點(diǎn)一、蠕變極限高溫長(zhǎng)期載荷作用下，材料對(duì)塑性變形的抗力指標(biāo)——引入蠕變極限第三節(jié)金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)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(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)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(shí)間τ(小時(shí))內(nèi)，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變變形量δ的最大應(yīng)力。500℃100000h總伸長(zhǎng)為1%二、持久強(qiáng)度極限蠕變極限高溫長(zhǎng)期載荷下對(duì)塑性變形的抗力（考慮了變形量）持久強(qiáng)度極限高溫長(zhǎng)期載荷下對(duì)斷裂的抗力（不考慮變形量）持久強(qiáng)度極限在給定溫度t下