《材料力学性能-第8章课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料力学性能-第8章课件（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,1,第八章,金属高温力学性能,2,在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、化工炼油 设备以及航空发动机中，很多机件是长期在高温条件下运 转的。,1.温度对金属材料的力学性能影响很大。,2.在高温下载荷持续时间对力学性能也有很大影响。,高温下钢的抗拉强度随载荷持续时间的增长而降低。,试验表明，20钢在450时的短时抗拉强度320MPa 当试样承受225MPa的应力时，持续300h便断裂了 将应力降至115MPa左右，持续10000h也能使试样断裂,3,高温短时加载：温度的升高会使材料强度下降、塑性提高 高温长时加载：不但强度要降低，而且塑性也会显著降低 ，材料对缺口的敏感性明显增大，材料发生
2、脆性断裂。,温度和时间的联合作用还影 响金属材料的断裂路径： 随着试验温度升高，金属的 断裂由常温下常见的穿晶断 裂过渡到沿晶断裂。 晶粒与晶界两者强度相等的温度称为 “等强温度” ，用TE表示。,晶界强度随温度 升高降低得快,4,晶界强度对变形速 率的敏感性要比晶 粒的大得多,等强温度TE随变形,速率增加而升高,图8-1 变形速率对TE的影响,变形速率对TE的影响,5,金属材料在高温下的力学性能，必须考虑温度与时间两,个因素。,约比温度：T/Tm (T为试验温度，Tm为金属熔点，都用,热力学温度(单位K)表示)。,当T/Tm 0.5时为“高”温；,当T/Tm 0.5时为“低”温。,对于不同的
3、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相同。,阐述金属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的机理,介绍高温力学性能指标及影响因素,为正确选用高温金属材料和合理制定其热处理工艺提供 基础知识。,6,主要内容,8.1 金属的蠕变现象,8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理,8.3 金属高温力学性能指标及其影响因素,8.1,金属的蠕变现象,对材料来说， 低温时承受一个应力产生一个对应的应变。 在高温，材料承受固定应力，其应变会逐渐增加。 蠕变：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。 蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致金属材料的断裂 蠕变在较
4、低温度下也会产生，但只有当约比温度大 于0.3时才比较显著。 eg.碳钢温度超过300、合金钢温度超过400时， 就必须考虑蠕变的影响。 7,8,金属的蠕变过程可用蠕变曲线(abcd)来描述,1. 减速蠕变阶段，ab段。开始 蠕变速度很大，随时间蠕变 速率，到b点蠕变速度达到 最小值。 2. 恒速蠕变阶段，bc段。蠕 变速度几乎保持不变，又称为 稳态蠕变阶段。一般所指的金 属蠕变速率，就是以这一阶段 的蠕变速率 表示的。 3. 加速蠕变阶段，cd段，随时 间 蠕变速度 ，直至d点 产生蠕变断裂。,&,起始伸长率q 温度 拉应力 图8-2 典型蠕变曲线 蠕变曲线上任一点的斜率， 表示该点的蠕变速
5、度。 &=d d,增加应力及温度，都会使蠕变速率上升 当应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较 长，甚至可能不产生第三阶段。 当应力较大或温度较高时，蠕变第二阶段便很短，甚至 完全消失，试样在很短时间内断裂。 9,同一种材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同。,恒定温度,恒定应力,10,对于在高温下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力,的机件(变形受约束)，eg.高温管法兰接头的坚固螺栓,用压紧配合固定于轴上的汽轮机叶轮等,该类机件可能随时间的延长，在总变形量不变的情况 下，弹性变形不断地转变为塑性变形，从而使工作应 力逐渐降低，以致失效。,这种在规定温度和初始应力条件下，金属材料中
6、的应力,随时间增加而减小的现象称为应力松弛。,可将应力松弛现象看作是应力不断降低条件下的蠕变过,程，蠕变与应力松弛是既有区别又有联系的。,蠕变：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,11,一、蠕变变形机理,8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理,在蠕变过程中，位错滑移仍是一种重要的变形机理。 在常温下，若滑移面上的位错运动受阻产生塞积， 滑移便不能继续进行，只有在更大的切应力作用 下，才能使位错重新运动和增殖。,机理：在高温下，位错可借助于外界提供的热激活 能和空位扩散来克服某些短程障碍，从而使变形不 断产生。,金属的蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散等机理进行的。,1. 位错滑
7、移蠕变,图8-4 刃型位错攀移克服障碍的模型 a)越过固定位错与弥散质点在新滑移面上运动 b)与邻近滑移面上异号位错相消 c)形成小角度晶界 d)消失于大角度晶界,位错热激活的方式有多种，高温 下的热激活过程主要是刃型位错 的攀移。 塞积在某种障碍前的刃型位错通 过热激活可以 在新的滑移面上运动； 与异号位错相遇而对消； 形成亚晶界； 被晶界所吸收。,当塞积群中某一个位错被激活而 发生攀移时，位错源便可能再次 开动而放出一个位错，从而形成 动态回复过程。这一过程不断进 行，蠕变得以不断发展。 12,13,在蠕变第一阶段，以晶内滑移和晶界滑动方式产生 变形。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速度较
8、 快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大，晶格 畸变不断增加，造成应变强化，致使蠕变速率不断 降低。,在蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方式 交替进行，由于应变硬化的发展，促进了位错攀移 动态回复的进行，使金属不断软化。当应变硬化与 回复软化两者达到平衡时，蠕变速率遂为一常数。,14,2. 扩散蠕变,扩散蠕变是在较高温度(约比温度大大超过,0.5)下的一种蠕变变形机理,机理：高温条件下大量原子和空位定向移动造成的。,15,在不受外力的情况下，原子和空 位的移动无方向性，宏观上不显,示塑性变形。 当金属两端有拉应力作用时，在 多晶体内产生不均匀的应力场 对于承受拉应力的晶界(如A,B晶界)
9、, 空位浓度较大； 对于承受压应力的晶界(如C,D晶界), 空位浓度较小。 在晶体内 空位从受拉晶界向受压晶界 迁移 原子朝相反方向流动 致使晶体逐渐产生伸长的蠕变,这种 现象即称为扩散蠕变。,拉 压 压 拉 图8-5 晶粒内部扩散蠕变示意图 实线：空位扩散方向 虚线：原子扩散方向,16,二、 蠕变断裂机理,金属材料在长时高温载荷作用下的断裂，大多为 沿晶断裂。,晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起 的。,实验观察表明，在不同的应力与温度条件下， 晶界裂纹的形成方式有两种： 在三晶粒交会处形成楔形裂纹 在晶界上由空洞形成晶界裂纹,17,a)晶界滑动 b)楔形裂纹形成,图8-7 耐热合金中的
10、楔形裂纹,1在三晶粒交会处形成楔形裂纹 机理：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。 图8-6 楔形裂纹形成示意图,18,2在晶界上由空洞形成晶界裂纹 机理：在较低应力和较高温度下 产生的裂纹。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。 形成空洞方式： 晶界滑动与晶内滑移带在晶界上交,割时形成的空洞； 晶界上存在第二相质点时，当晶界 滑动受阻而形成的空洞,图8-8 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,图8-9 耐热
11、合金中晶界上形成的空洞,锅炉管道蠕变的空洞型裂纹 19,产生空洞型裂纹显示超出 工作温度较多，楔形裂纹 超出工作温度较少。,20,裂纹形成,裂纹扩展：依靠晶界滑动、空位扩散和空洞连接 沿晶断裂,晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小 及晶粒度的均匀性对蠕变断裂均会产生很大影响,21,宏观断口特征：,在断口附近产生塑性变形，在变形 区域附近有很多裂纹，使断裂机件表 面出现龟裂现象；,由于高温氧化，断口表面往往被一,层氧化膜所覆盖。,微观断口特征，主要为冰糖状花样的沿,晶断裂形貌。,蠕变断裂断口特征,22,8.3 金属高温力学性能指标及其影响因素,一、蠕变极限,为保证在高温长时载荷作用下的
12、机件不致产生过 量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。,蠕变极限：金属材料在高温长时载荷作用下的塑,性变形抗力指标。,和常温下的屈服强度s相似,23,(2) 在规定温度(t)下和在规定的试验时间()内，使试样产 t,蠕变极限一般有两种表示方式： (1) 在规定温度(t)下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变 t & 在电站锅炉、汽轮机和燃气轮机制造中，规定的蠕变 速率大多为110-5%/h 或110-4%/h。,= 60MPa,600 110 5,eg.,表示材料在600下，稳态蠕变速度为 110-5%/h 的蠕变极限为60MPa,500 1/10 5,= 100 MPa,eg.,表示材料在5
13、00下，100000h 后总 伸长率为1%的蠕变极限为100MPa,24,试验时间及蠕变总伸长率的具体数值是根据机,件的工作条件来规定的,以上两种蠕变极限都需要试验到稳态蠕变阶段,若干时间后才能确定。,蠕变速率大而服役时间短，可取第1种表示方法 蠕变速率小而服役时间长，则取第2种表示方法,夹头,砝码 热电偶 电炉 试样,铂电阻 引伸计,蠕变极限的测定-试验装置 杠杆 试样装卡在夹头上，置于,电炉内加热。 试样温度用捆在试样上的 热电偶测定，炉温用铂电,阻控制。 通过杠杆及砝码对试样加 载，使之承受一定大小的,拉应力。 试样的蠕变伸长量用安装 在炉外的引伸计测量。 图8-10 蠕变试验装置简图
14、25,26,27,28,蠕变极限的测定-试验方法,具体测定时，在同一温度下要用四个以上的不 同应力进行蠕变试验。,试验进行至规定时间(数百至数千小时)后停,止。,将试验结果在单对数或双对数坐标图上绘制出,应力-稳态蠕变速率或应力-蠕变总伸长率关系,曲线。,用内插法或外推法求蠕变极限。,29,外推法求蠕变极限,之间，在双对数坐标中呈线性经验关系提出的。,小蠕变速率下的蠕变极限。,蠕变速率只能比最低试验点的数据低一个数量级，否则不 可靠,依据同一温度下，蠕变第二阶段应力与稳态蠕变速率 &,试验时可用较大的应力，以较短的时间测出几条 &较高的 蠕变曲线，描绘出 - &直线后，便可用外推法求出规定较,
15、30,图8-11 12Cr1MoV钢 &图,= 41MPa,580 110 5,12Cr1MoV钢在580下，稳态蠕变速度为 110-5%/h 的蠕变极限为41MPa,二、持久强度极限 持久强度极限：材料在高温长时载荷作用下的断裂强度 持久强度极限表示方式： 在规定温度(t)下，达到规定的持续时间()内而不发生断裂 t 的最大应力，以符号 表示。,= 30MPa,700 1103,eg.某高温合金,表示该合金在700、1000h的持久强度极限为30MPa 试验时，规定持续时间是以机组的设计寿命为依据的。 锅炉、汽轮机等：设计寿命为 数万以至数十万小时 航空喷气发动机：设计寿命为一千或几百小时
16、31,32,持久强度极限测定,通过高温拉伸持久试验测定,试验过程中，不需测定试样的伸长量，只要测定试样在 规定温度和一定应力作用下直至断裂的时间。,对于设计寿命为数百至数千小时的机件，其材料的持久 强度极限可以直接用同样的时间进行试验确定。,对于设计寿命为数万以至数十万小时的机件，作出一些,应力较大、断裂时间较短(数百至数千小时)的试验数据。 将其在lg -lg坐标图上回归成直线，用外推法求出数万,以至数十万小时的持久强度极限。,MPa 89 5 =,33,图8-12 12CrlMoV钢在580及600的持久强度线图,试验最长时间为1104h，但用外推法(虚线)可得到1105h的 持久强度极限值。,12CrlMoV钢在580,105h的持久强度极限为89MPa,外推时间不超过最长试验时间一个数量级，以使外推结果不 致误差太大
