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1、第七章第七章 金属高温力学性能金属高温力学性能高温长期载荷作用下高温长期载荷作用下1 1、产生蠕变现象产生蠕变现象2 2、时间延长时间延长强度下降强度下降0.5 tE:等强等强温度温度K第一节第一节 金属的蠕变现象金属的蠕变现象一、蠕变一、蠕变 材料在长时间的恒温、恒载作用下，缓慢地发生塑材料在长时间的恒温、恒载作用下，缓慢地发生塑性变形的现象。性变形的现象。由蠕变变形导致的材料的断裂，称为蠕变断裂。由蠕变变形导致的材料的断裂，称为蠕变断裂。二、蠕变曲线二、蠕变曲线蠕变速率蠕变速率=d/d/d 蠕变三个阶段：蠕变三个阶段：第一阶段：减速蠕变阶段第一阶段：减速蠕变阶段第二阶段：恒速蠕变阶段（稳态
2、蠕变阶段）第二阶段：恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段）第三阶段：加速蠕变阶段第三阶段：加速蠕变阶段影响材料蠕变过程的两个最主要参数影响材料蠕变过程的两个最主要参数温度温度t和应力和应力 温度温度t或应力或应力小小 第二阶段很长第二阶段很长蠕变过程减慢蠕变过程减慢第三阶段甚至可以不出现第三阶段甚至可以不出现温度温度t或应力或应力大大第二阶段较短第二阶段较短很快地由第一阶段过渡到第三阶段很快地由第一阶段过渡到第三阶段伸伸长长率率 时间时间 1 13 32 24 41 12 23 34 4伸伸长长率率 时间时间 t t1 1t t3 3t t2 2t t4 4t t1 1t t2 2t t3 3t t4
3、4第二节第二节 蠕变变形与断裂机理蠕变变形与断裂机理一、一、蠕变变形机理蠕变变形机理位错位错滑移滑移原子扩散原子扩散（一）位错滑移蠕变（一）位错滑移蠕变 固定位错固定位错弥散质点弥散质点高温下，位错借助高温下，位错借助热激活和空位扩散热激活和空位扩散来克服障碍来克服障碍温度较低温度较低(0.50.5晶界滑动：晶界滑动：高温和应力的作用下高温和应力的作用下ACB12ABC12，沿晶界产生的剪，沿晶界产生的剪切运动。切运动。二、蠕变断裂机理二、蠕变断裂机理1 1、裂纹萌生、裂纹萌生（1 1）在三晶粒交会处萌生楔形裂纹）在三晶粒交会处萌生楔形裂纹（高应力，低温度）（高应力，低温度）晶界滑动，造成应力
4、集中，形成空洞，晶界滑动，造成应力集中，形成空洞，空洞相互连接形成楔形裂纹。空洞相互连接形成楔形裂纹。ABCABC楔形裂纹形成示意图楔形裂纹形成示意图（2 2）在晶界上由空洞汇聚形成裂纹（低应力、高温度）在晶界上由空洞汇聚形成裂纹（低应力、高温度）晶界滑动产生的空洞；空洞长晶界滑动产生的空洞；空洞长大，汇聚形成裂纹。大，汇聚形成裂纹。晶晶界滑动与晶界滑动与晶内滑移内滑移晶晶界上形成空洞示意图界上形成空洞示意图空空洞洞2 2、裂纹扩展、裂纹扩展3 3、断裂、断裂断口宏观特征：变形区域有很多裂纹（龟裂）；断口宏观特征：变形区域有很多裂纹（龟裂）；高温氧化。高温氧化。晶界滑动、空位扩散、空洞长大晶界
5、滑动、空位扩散、空洞长大,连接连接微观特征：沿晶断裂微观特征：沿晶断裂8-3 8-3 高温力学性能及其影响因素高温力学性能及其影响因素一、蠕变极限一、蠕变极限两种表示方法：两种表示方法：1 1）%/h%/h2 2）500500，1010万万h h，总蠕变变形，总蠕变变形=1%1%的蠕变极限的蠕变极限选用哪种表示方法，根据服役工况来确定。选用哪种表示方法，根据服役工况来确定。高温长期载荷下的塑性变形抗力高温长期载荷下的塑性变形抗力.时的蠕变极限。时的蠕变极限。“测定蠕变强度的装置和方法测定蠕变强度的装置和方法”（P166P166）试样试样引伸计引伸计加热炉加热炉砝码砝码伸伸长长率率 时间时间 1
6、 13 32 24 41 12 23 34 4短时蠕变试验所测定的蠕变极限短时蠕变试验所测定的蠕变极限推测推测长时蠕变所确定的蠕变极限长时蠕变所确定的蠕变极限10-210-410-6%/h102103104实验时必须注意：实验时必须注意：(1)至少用至少用四个四个不同应力进行蠕变试验，试验时间必须到达蠕变不同应力进行蠕变试验，试验时间必须到达蠕变第二阶段第二阶段，所选，所选的最高应力和最低应力所产生的蠕变速率要相差的最高应力和最低应力所产生的蠕变速率要相差一个数量级一个数量级。(2)外推法求出的蠕变极限，其蠕变速率只能比试验点的数据低外推法求出的蠕变极限，其蠕变速率只能比试验点的数据低一个数量
7、级一个数量级。二、持久强度极限二、持久强度极限在规定温度（在规定温度（T T），），达到规定的时间（达到规定的时间（）不发生断裂的应力值。）不发生断裂的应力值。指：在指：在700700，10103 3h h时的持久强度极限为时的持久强度极限为89MPa89MPa。通过高温拉伸持久试验测定通过高温拉伸持久试验测定 由于时间长，一般是作由于时间长，一般是作lglglglg曲线，用外推法计算持曲线，用外推法计算持久强度值久强度值如如12Cr1MoV12Cr1MoV钢在钢在580580，十万小时，十万小时实验时用外推法必须注意：实验时用外推法必须注意：1、找出拐点、找出拐点2、外推时间不超过一个数量级
8、、外推时间不超过一个数量级lglglglglglglglg持久塑性：高温持久试样断裂后的伸长率及断面收缩率。持久塑性：高温持久试样断裂后的伸长率及断面收缩率。三、剩余应力三、剩余应力应力松驰：零件总应变保持不变，但应力松驰：零件总应变保持不变，但其中的应力随时间自行降低的现象。其中的应力随时间自行降低的现象。应力松驰曲线：应力松驰曲线：变形量衡定，加载的应力变形量衡定，加载的应力随时间延长而降低的曲线。随时间延长而降低的曲线。任一时间，试样上所保持的应任一时间，试样上所保持的应力称为力称为剩余应力剩余应力r r。初始应力与剩余应力之差，称为初始应力与剩余应力之差，称为松驰应力松驰应力rere。
9、shshsoso松驰稳定性：材料抵抗应力松驰的性能松驰稳定性：材料抵抗应力松驰的性能应力松驰曲线应力松驰曲线四、影响高温力学性能的因素四、影响高温力学性能的因素1 1、化学成分、化学成分1)1)材质材质:熔点高，自扩散激活能高，熔点高，自扩散激活能高，层错能低的金属或合金。层错能低的金属或合金。晶界扩散激活能晶界扩散激活能(B(B、RE)RE)弥散第二相强化（弥散第二相强化（NiNi3 3AlAl）自扩散激活能(kcal/mol)020406080100蠕变激活能(kcal/mol)20406080100MgAlCuNi-Fe-Fe2)2)加入合金元素加入合金元素:固溶强化（固溶强化（CrCr
10、、MoMo、W W、NbNb）结合力结合力,扩散激活能扩散激活能 层错能（层错能（MoMo、W W）含量含量,%(at)Qc(kcal/mol)WCoNi-Cr-Co-W2 2、提高冶炼质量、提高冶炼质量1 1）低熔点夹杂物低熔点夹杂物S(119)S(119)、P(44.1)P(44.1)、As(818)As(818)、Sn(231.9)Sn(231.9)、Pb(327.4)Pb(327.4)百万分之一（百万分之一（ppmppm）400 400 ppmppm PbPb：5ppm5ppm22ppm ppm 一倍一倍 真空熔炼真空熔炼 加入合金元素加入合金元素:Be:Be、MgMg、CaCa、RE
11、RE2 2）定向凝固）定向凝固NiNi基合金基合金 4-54-5倍倍 3 3、热处理工艺的影响、热处理工艺的影响合适的热处理保证组织稳定性合适的热处理保证组织稳定性珠光体耐热钢：高温回火珠光体耐热钢：高温回火奥氏体耐热钢：高温固溶处理和时效奥氏体耐热钢：高温固溶处理和时效形变热处理形变热处理4 4、晶粒度的影响、晶粒度的影响ttttE E：粗晶强化粗晶强化t t t tE E：细晶强化细晶强化8-4 其他高温力学性能一、高温短时拉伸性能（火箭、导弹发射）瞬时高温强度；热塑性；蠕变不起决定作用时。二、高温硬度工具材料（红硬性），高温轴承。测高温硬度的压头。高温力学性能与室温力学性能的对比性能特点：形成复杂、网状的第二相形成复杂、网状的第二相高高 温温 室室 温温b b=f(t,)=f(t,)b b=C=C蠕变，应力松驰蠕变，应力松驰变形机制：变形机制：滑移、扩散滑移、扩散晶内滑移和孪晶晶内滑移和孪晶晶界起主要作用晶界起主要作用晶界起阻碍作用晶界起阻碍作用提高力学性能：提高力学性能：增大晶格阻力增大晶格阻力提高位错密度提高位错密度减少晶界面积减少晶界面积提高扩散时的热激活能提高扩散时的热激活能固溶强化固溶强化细化晶粒细化晶粒第二相第二相