金属材料的高温强度

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1、金属材料的高温强度 王印培 教授1金属材料的高温强度内 容p金属材料在高温下的力学行为特点 p蠕变 p表征材料高温力学性能的强度指标 p高温强度的影响因素 2金属材料的高温强度1.金属材料在高温下的力学行为 特点 p由于高温下原子扩散能力的增大，材料中空位 数量的增多以及晶界滑移系的改变或增加，使 得材料的高温强度与室温强度有很大的不同。l考虑材料的高温强度时，除了温度与力学这 二个最基本的因素之外，还必须考虑时间及介质因 素的影响。 p在高温条件下材料的变形机制增多，易发生塑 性变形，表现为强度降低，形变强化现象减弱 ，塑性变形增加。 l强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高 而增加。 3金

2、属材料的高温强度p对于大多数碳钢、铬钼钢和奥氏体钢，强度极 限随温度的变化大致上可分为三个阶段：l初始阶段、中间阶段和第三阶段。u在初始阶段温度较低，强度极限随着温度的升 高而明显降低。u在中间阶段，强度极限随温度升高而缓慢下降 。u在温度较高的第三阶段，强度极限急剧降低。 碳钢和某些低合金钢（如Cr-Mo钢、 Cr-Mo-V钢）在中间阶段强度极限会出现一个升高的峰值 ，这是时效硬化所造成的。 峰值温度与材料的蓝脆温度相当。 4金属材料的高温强度p碳钢和Cr-Mo钢的伸长率和断面收缩率随温度的 变化也可分为三个阶段：l初始阶段、中间阶段和第三阶段。u在初始阶段，伸长率和断面收缩率随温度升高而

3、逐渐下降；u中间阶段，伸长率和断面收缩率达到一个最低值 ，然后又开始回升；u到第三阶段，随着温度的升高，伸长率和断面收 缩率明显升高。 5金属材料的高温强度p在高温条件下，应变速度对材料的强度也有明 显的影响。l应变速度越高，材料的强度也越高。u尽管室温下应变速度对强度也有影响，但在高 温下这种影响要大得多。 6金属材料的高温强度p由于应变速率的这种影响，为了使高温短时拉伸试验的 结果能相互比较，其试验时间必须统一规定。l各国在试验标准中都对此作出了严格的要求项目 标准名称载荷 精度试验温度允差（）引伸仪精度应变速度（加载速度） 波动梯度YB941 中国9001200:53 4 5屈服点或屈服

4、强度前： 0.03l0/min（一般试验） 0.02l0/min（仲裁试验）ISO R-783 国际8001000:60.01%屈服强度前： 0.1%0.3%/minASTM E21 美国982:63 6屈服点前：（0.50.2）%/min 屈服点后：（51）%/minBS3688 英国600800：4 8001000：60.01mm屈服点或屈服强度附近： （0.10.5）%/min 屈服强度后：（0.51.0）%/minDIN 50112 DIN 50118 德国600800：4 8001000:6 10001100:84屈服点前：600900:5 9001200：6 常规试验时，允许再 加

5、2波动（0.040.1）l0/min 不大于80MPa/min7金属材料的高温强度p材料在高温条件下，承受不同的载荷，其断裂所需的时间也不同。l不但断裂所需的时间随着承受的应力增加而缩短，而且断 裂的形式也会发生改变。u晶界强度与晶粒强度随温度增加而下降的趋势 不同，在其交点对应温度TS（称为等强温度）以上，材 料由穿晶断裂变为沿晶断裂。u形变速度愈低则TS愈低Ts8金属材料的高温强度小 结l强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加。l力学行为及性能与加载持续时间密切相关u在高温下即使承受应力小于该温度下的屈服强度，随 着承载时间的增加材料也会产生缓慢而连续的塑性变形，即材料 将发生蠕变。

6、u在高温下随承载时间的增加塑性会显著下降，材料的 缺口敏感性增加，断裂往往呈脆断现象。l温度影响材料的微观断裂方式。l环境介质对材料的腐蚀作用随着温度的升高而加剧，从 而影响材料的力学性能。p因此，材料的室温力学性能不能反映它在高温承载时的行 为，必须进行专门的高温性能试验，才能确定材料的高温 力学性能p而温度与时间是影响金属高温性能的重要因素，故研究金 属高温力学行为必须研究温度、应力和应变与时间的关系 。9金属材料的高温强度2. 蠕 变 p金属在一定温度、一定应力（即使小于s） 作用下，随着时间的增加而缓慢连续产生 塑性变形的现象称为蠕变。l蠕变在温度较低时也会发生，但只有 在温度高于0.

7、3Tf（熔点温度）时才比较明 显。u引起材料蠕变的应力状态可以是简单 的（例如单向拉伸、压缩、弯曲），也可能是 复杂的；可以是静态的，也可能是动态的。10金属材料的高温强度2.1蠕变曲线的定性分析 p蠕变是材料力学性能之一，材料抗蠕变的能力是蠕变强 度，用蠕变极限表示。p材料抗蠕变断裂的能力用持久强度表示。l蠕变极限与持久强度用试验测定，测定出的蠕变曲线 可能是恒应力状态，也可能是恒温度状态曲线。l无论何种，典型的蠕变曲线都可以分为三个阶段， 11金属材料的高温强度p不同金属材料在不同条件下得到的蠕变曲线是不同的p同一种金属材料蠕变曲线的形状也随应力和温度不同而不同u但一般而言，各种蠕变曲线差

8、不多都保持着上述三个组成部分 ，只是各阶段持续时间长短不一左图表示了温度不变时应力对蠕变曲线的影响 ，右图表示了应力不变时温度对蠕变曲线的影响 。由图可见，应力较小或温度较低时，蠕变第二 阶段即稳定蠕变阶段延续很长。反之则第二阶段可能很短甚至消失。 这时蠕变只有第一阶段和第三阶段，材料将在短时间内断裂。12金属材料的高温强度p蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑移方式 进行。l蠕变初期由于攀移驱动力不足，因而 滑移造成的形变强化效应超过攀移造成的 回复软化效应，故变形速率不断降低。l蠕变初期可能在晶界台阶处或第二相 质点附近形成裂纹核心，也可能由于晶界 滑动在三晶粒交汇处受阻而形成裂纹核心 。13金

9、属材料的高温强度p蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀 移交替方式进行，晶界变形以晶界滑动和 迁移交替方式进行。l晶内迁移和晶界滑动使金属强化，但 位错攀移和晶界迁移使金属软化，强化与 软化作用达到动态平衡时，形变速率即保 持稳定。l蠕变第二阶段在应力和空位流同时作 用下，裂纹优先在与拉应力垂直的晶界上 长大，形成楔形和孔洞形裂纹。14金属材料的高温强度p蠕变第三阶段在由第二阶段后开始连接的 楔形与孔洞形裂纹上进一步依靠晶界滑动 、空位扩散和孔洞连接而扩展，蠕变速度 加快，直至裂纹达到临界尺寸而断裂。15金属材料的高温强度16金属材料的高温强度17金属材料的高温强度p一种理想的材料，要求它的蠕

10、变曲线具有很小 的起始蠕变（蠕变第一阶段）和低的蠕变速度（蠕 变第二阶段），以便延长产生1总变形量所需的 时间。p同时也要有一个明显的第三阶段，可以预示材 料的强度正在消失，断裂时有一定的塑性。l蠕变是一个包含许多过程的复杂现象。比起 室温下的力学性能来材料的蠕变性能对组织结构的 变化更为敏感。l所以蠕变曲线的形状往往随着材料的组织状 态以及蠕变过程中所发生的组织结构变化的不同而 不相同。u例如在高温下会发生相变的某些合金（如Fe 20.5W，Ni25.5Mo等），即使在承受拉伸载荷时 ，也会由于相变时的体积变化而使试件收缩，形成所谓 的“负蠕变现象”。18金属材料的高温强度2.2蠕变曲线的定

11、量分析 l关于蠕变曲线的表示方式，u有用蠕变过程中应变或应变速度与时 间的关系来表示，u有用应变或应变速度与温度的关系来 表示，u还有用应变或应变速度与应力的关系 来表示。有些表达式可同时表达三个阶段 的蠕变规律，有的只表示某阶段的蠕变规律。u不同的表示方式可获得不同的关系式 ，目前应用较广的是应变或应变速度与时间的 关系。19金属材料的高温强度2.2.1在给定温度或应力下蠕变与时间的 关系pBailey提出适用于第一阶段的公式l （1/3n1/2 ） （1）pMevetly提出适用于第一及第二阶段的公 式l （2 ）u第二阶段为线性关系，上两式中的A、 B、C、F均为实验待定常数，为应变，t

12、为时 间。20金属材料的高温强度高温蠕变与低温蠕变pGraham和Walles提出第一及第二阶段公式，在较低温度和较小应力时，第一阶段蠕变公式为：l .（3）l称为蠕变或对数蠕变，也称为低温蠕变。p当温度较高应力较低时，公式为：l .（ 4）l称为蠕变或高温蠕变，是由应力和温度决定的常数。p而第二阶段的蠕变公式为：l （5）l称为K蠕变。u高温蠕变和低温蠕变并没有严格区分的温度界限，不过前 者往往发生在原子扩散速度比较大的情况下，一般以0.5 Tf作为界限，在此以上是高温蠕变，以下是低温蠕变。按这个温度区分时，低温蠕变也可能有回 复现象发生，不过进行的不很充分而已。21金属材料的高温强度p也有

13、人把蠕变第一阶段看成是较低温度下起主导作用的 蠕变和较高温度的以蠕变为主的蠕变的总和，合并式 （3）和式（4）可得表示蠕变曲线第一阶段的通式：l （6）u对蠕变第三阶段的表达式，研究 较少。虽曾有人提出过一些关系式，但 并没有普遍的意义。一般认为蠕变的加 速阶段没有共同的关系式。22金属材料的高温强度2.2.2应力与蠕变速度的关系 p研究应力与蠕变速度的关系时多采用恒速 蠕变阶段，因为设计时多以第二阶段蠕变 速度作为指标。这样可使研究简化，并有 明确的工程意义。p这方面的关系式主要有Garofalo和Finnie根据他们的实验结果提出的应力蠕变速 度关系式：23金属材料的高温强度2.2.3 温

14、度与蠕变速度的关系 p温度对蠕变有重要影响，进行蠕变试验时 必须精确测量与控制温度。随着温度升高 ，蠕变速度增大。许多人提出过温度与恒速蠕变的变形量或蠕变速度的关系式。 lMott式： lDorn式：lZener-Holloman式：24金属材料的高温强度2.3金属材料在蠕变中的组织 变化 p2.3.1晶体结构 l晶体结构 不同原子自扩散 能力也不同，蠕 变速度即随之发 生变化。纯铁在 相同温度下体心 立方的扩散能力 大于面心立方， 所以低碳钢在温 度超过相变点时 蠕变速度会发生 突变。 25金属材料的高温强度p金刚石结构的元素原子自扩散系数较小， 因此Ge、Si具有较高的高温强度。p除晶体结

15、构对原子自扩散能力有影响外， 反映原子结合能力的金属熔点对扩散也有 很大影响。p高熔点金属扩散系数小，所以高温材料多 添加高熔点元素，如W、Mo、V、Ta、 Nb、Ni、Cr等。26金属材料的高温强度2.3.2亚晶 p多晶体的实际变形是不均匀的。u试验表明纯铝在3501.37MPa 外加应力下经9.5h产生的总蠕变伸长量 为18.6，但每个晶粒的蠕变伸长量是 不相同的。小的仅为15，而大的有36 。p由于蠕变过程中变形的不均匀性，到一定程度 原始晶粒会被形变交错组成的狭窄形变带分割 成很多位向略有差异的小晶粒，即形成亚晶。l蠕变的第一阶段和第二阶段均可形成 亚晶。27金属材料的高温强度2.3.2亚晶 p亚晶尺寸随温度升高和应力降低而增大， 尺寸增大到一定程度后将不再变化。亚晶 界就是位错墙，是位错密度很高的