1、第八章,金属高温力学性能, 概述 第一节 金属的蠕变现象 第二节 蠕变变形与蠕变断裂机理 第三节 金属高温力学性能指标及其影响 因素,金属高温力学性能,概 述,高温下钢的抗拉强度也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；如将应力降至115MPa左右，持续10000h也能使试样断裂。在高温短时载荷作用下，金属材料的塑性增加，但在高温长时载荷作用下，塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂现象。此外，温度和时间的联合作用还影响金属材料的断裂路径。,图81 温度和变形速率对金属断裂路径的影响 b)
2、变形速率对TE的影响,第一节 金属的蠕变现象,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。在恒定温度下改变应力，或在恒定应力下改变温度，蠕变曲线的变化分别如图83 a、b所示。,图83 应力和温度对蠕变曲线的影响 a)恒定温度下改变应力( ) b)恒定应力下改变温度（ ）,由图见，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。相反，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。,第二节 蠕变变形与蠕变断裂机理,一、蠕变变形机理 (一)位错滑移蠕变 (二)扩散蠕变 二、蠕变断裂机理,一、蠕变变形机理,(二) 扩散蠕变,图86
3、楔形裂纹形成示意图 a)晶界滑动 b)楔形裂纹形成,图87 耐热合金中的楔形裂纹,以上两种方式形成裂纹都有空洞萌生过程。可见，晶界空洞对材料在高温下使用温度范围和寿命是至关重要的。裂纹形成后，进一步依靠晶界滑动、空位扩散和空洞连接而扩展，最终导致沿晶断裂。 由于蠕变断裂主要在晶界上产生，因此，晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶粒度的均匀性对蠕变断裂均会产生很大影响。,一、蠕变极限 二、持久强度极限 三、剩余应力 四、影响金属高温力学性能的主要因素,第三节 金属高温力学性能指标及其影响因素,一、蠕变极限,二、持久强度极限,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
4、以直接用同样的时间进行试验确定。但对于设计寿命为数万以至数十万小时的机件,和蠕变试验相似，一般作出一些应力较大、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。图812为12CrlMoV钢在580及600时的持久强度线图。由图可见，试验最长时间为一万小时(实线部分)，但用外推法(虚线部分)可得到十万小时的持久强度极限值。如12CrlMoV钢在580、100000h的持久强度极限为89MPa。,图812 12CrlMoV钢的持久强度线图,三、剩余应力,剩余应力sh是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。对于不同的金属材料或同
5、一材料经不同热处理，在相同试验温度和初始应力下，经规定时间后，剩余应 力越高者，其松弛稳定性越好。,(一) 合金化学成分的影响,合金中如果含有能形成弥散相的合金元素，则由于弥散相能强烈阻碍位错的滑移，因而是提高高温强度更有效的方法。在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素(如硼、稀土等)，则既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹面的表面能，因而对提高蠕变极限，特别是持久强度极限是很有效的。,(二)冶炼工艺的影响 各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，因为钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度极限降低。高温合金对杂质元素和气体含量要求更加严格，常存杂质除硫、磷外，还有铅、锡、砷、锑、铋等，即使
6、其含量只有十万分之几，当其在晶界偏聚后，会导致晶界严重弱化，而使热强性急剧降低，并增大蠕变脆性。,(三)热处理工艺的影响,1、掌握拉伸力-伸长曲线与应力-应变曲线相互转化、变形过程的不同阶段及强度指标； 2、掌握金属弹性变形的本质及其影响因素、滞弹性过程、塑性变形方式及指标、金属的断裂类型、解理断裂特征； 3、掌握不同硬度的表示方法及含义、缺口效应。 4、掌握冲击韧性及其表示方法； 5、掌握低温脆性现象、韧脆转变温度及其影响因素； 6、掌握线弹性断裂力学分析裂纹的方法及判据； 7、掌握应力场强度因子、断裂韧度及其影响因素。 8、掌握典型裂纹应力场强度因子计算公式。 9、学会对材料进行断裂失效分析。,10、掌握金属疲劳现象及断裂特点； 11、掌握疲劳裂纹扩展速率曲线及疲劳裂纹扩展门槛值。 12、掌握应力腐蚀产生条件、断裂机理、抗力指标； 13、掌握氢致延滞断裂与应力腐蚀断裂异同点（如裂纹扩展方式）。 14、掌握磨损、接触疲劳现象、类型、机理等； 15、掌握接触疲劳与普通机械疲劳的异同点。 16、掌握蠕变、蠕变断裂、蠕变断裂机理； 17、掌握金属高温力学性能的评定指标。,
