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1、第八章 金属高温机械性能,历史背景： 古代：悬挂的铅管自身伸长现象 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 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b(室温或试验温度)时也会发生破坏蠕变的研究,第一节 概述,火箭发动机、汽轮机、石油化工机械等发展 高温(T)、长期(t) 一、温度对金属材料机械性能影响,1、通常金属的变形抗力随温度而： 随 T,、HB；,2、原因： 晶格阻力下降，原子活动能力提高 (1)位错运动障碍； (2)位错运动方式：交滑移、攀移； (3)存在回复、再结晶等软化机制； (4)存在晶界运动等
2、形变机制。,注意：金属间化合物高温强度的反常性,二、时间对金属材料力学性能的影响 高温下力学性能与载荷持续时间关系很大： 例如：钢的b随载荷持续时间而 。,故常温下研究时： 应力应变曲线 高温下研究时： 应力应变+温度+时间,三、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。 原因：随温度T，晶界强度下降速度快于晶内强度的下降。 *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。 TTE时，沿晶断裂。,温度和变形速率对金属断裂路径的影响,晶界强度对变形速度的敏感性比晶内强度大，所以，变形速率，TE。,a）等强温度TE b）变形速率对TE的影响,当约
3、比温度 0.5时高温状态。 当约比温度 0.5时低温状态。,1 如何判断高温、低温：,不同的金属材料，在同样的约比温度下，其蠕变行为相似，力学性能的变化规律也是相同的。,四、高温下的蠕变现象与应力松弛现象,2 高温下的蠕变现象与应力松弛现象 蠕变现象：后叙 应力松弛：在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的应力随时间增加而减小的现象。,一、蠕变现象 1、蠕变概念： 金属在长时间的恒温、恒载荷作用下（即使 0.3时须考虑 碳钢加热T300，必须考虑蠕变。 2、蠕变断裂： 由蠕变而最后导致材料的断裂,第二节 金属的蠕变现象,3、蠕变曲线 oa: 瞬时应变0（弹塑） abcd: 随时间延长而产生的应
4、变：蠕变,典型蠕变曲线,蠕变速度：,第一阶段：减速蠕变阶段（过渡蠕变阶段） 原因：加工硬化占主体,第二阶段：恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段）， 加工硬化回复等软化机制，相等 第三阶段：加速蠕变阶段 随t，蠕变速率，直至蠕变断裂。 裂纹的形成与扩展,应力和温度对蠕变曲线的影响 （1）、t，蠕变断裂时间； （2）、t，稳定蠕变阶段；,同一材料的蠕变曲线随应力、温度而变。,4321,t4t3t2t1,应力或温度升高，蠕变第二阶段缩短 蠕变过程中的矛盾： 强化 加工硬化 软化 回复、再结晶及其它扩散过程,二、蠕变过程中变形与断裂机制 1、蠕变的变形机制 常温下： 位错的增殖与运动产生塑性变形 位错运动受阻
5、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。,(1) 位错滑移蠕变 TTm2，又称高温蠕变 变形时，T原子扩散加剧位错攀移引起动态回复（异号位错对相消，形成多边形结构）形成亚晶位错运动阻力下降进一步蠕变变形。 动态回复起主要作用,异号位错的合并； 同号位错的规整化形成回复亚晶， 多边形化,(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。,2、蠕变断裂机制 主要晶界断裂宏观上为典型的脆性破坏。 晶界的结构、性质，晶界析出物，与外加应力的取向等均对蠕变断裂产生重大影响。,机制一：在三晶粒
6、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。 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）,晶界滑动形成空洞示意图 a）晶界滑动与晶内滑移带交割 b）晶界上存在第二相质点,一、蠕变极限 高温长期载荷作用下，材料对塑性变形的抗力指标引入蠕变极限,第三节 金属高温力学性能指标,蠕变极限的表示方法一：,在给定的温
7、度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力。,蠕变极限的表示方法二：,在给定温度t和规定时间(小时)内，使试样产生规定蠕变变形量的最大应力。,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）,持久强度极限 在给定温度t下，达到规定的持续时间而不发生断裂的最大应力，以MPa表示。,三、剩余应力 1、应力松弛定义 具有恒定总变形的试件中，随着时间的延长自行减低应力的现象，称为应力松弛。 金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性。 如何评价松弛稳定性?,金属应力松弛曲线,故： （1）剩余应力sh是评定金
8、属材料松弛稳定性的指标 剩余应力愈高，松弛稳定性愈好。 （2）松弛稳定性可用以评价材料在高温下的预紧能力： 高温紧固件,2、蠕变与松弛过程比较 蠕变：应力保持不变，塑性变形和总变形随时间延长而增大。 松弛：总应变量保持不变，随时间延长，塑性变形不断取代弹性变形，使弹性应力不断降低。,松弛的实质：可看成是一种在应力不断减少条件下的蠕变过程。 故通常蠕变抗力高的材料，应力松弛抗力一般也高。,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，层错能低的金属，蠕变极限。高温材料设计依据 自扩散系数： bccfcchcp金钢石型 自扩散系数大，自扩散激活能小,
9、故：fcc的蠕变极限bcc 金钢石型的陶瓷材料具有优良的抗高温蠕变性能,例： 加入Cr，Mo，W，Nb，使固溶强化； 层错能，扩散激活能； 化学相互作用、形成短程有序等。,2、溶质元素的影响 通常溶质元素或微量杂质原子，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。,又例：加入B，Re等，晶界扩散激活能，阻碍晶界滑动，晶界裂纹表面能，高温强度。,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,4、晶粒度的影响 TTE，粗晶粒钢强度高。 采用适当的晶粒度，例23级 因为晶粒太大，Ak 例如：A耐热钢取24级，且晶粒度要均匀。,高温条件下对冶金质量要求更严格。 例如冶炼中： （1）杂质元素和气体含量，晶界偏聚，晶界弱化作用。 采用真空感应炉、真空电弧炉等 (2) 定向凝固，横向晶界。 例：汽轮机叶片。,(作业实验)30%，考试70%。 笔记为准，重点断裂韧性，疲劳。 名词解释，单选题，问答题，计算题。 必须记公式： 格氏，理论断裂强度、塑性尺寸， 修正公式(断裂韧度半椭圆裂纹不用记) ； KI，GI，J定义式、关系式； ，e，e，关系式。,