金属材料高温力学性能课件.ppt

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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σb(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↑,σ、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↑

2、：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σb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。T

3、TE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TEb）变形速率对TE的影响当约比温度>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

4、在长时间的恒温、恒载荷作用下（即使σ<σ0.2）缓慢地产生塑性变形的现象，称为蠕变。——约比温度T/Tm>0.3时须考虑碳钢加热T>300℃，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ε0（弹＋塑）abcd:随时间延长而产生的应变ε：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

5、扩展应力和温度对蠕变曲线的影响（1）σ↑、t↑，蠕变断裂时间↓；（2）σ↑、t↑，稳定蠕变阶段↓；同一材料的蠕变曲线随应力、温度而变。σ4>σ3>σ2>σ1t4>t3>t2>t1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→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T≈Tm／2，又称高温蠕变变形时，T↑→原子扩

6、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

7、→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：

8、在给定的温度下，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。600℃1×10－5％/h蠕变极限的表示方法二：在给定温度t和规定时间τ(小时)内，使试样产生规定蠕变变形量δ的最大应力。500℃100000h总伸长为1%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