1、第十章 金属高温机械性能,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.温度对金属材料的机械性能影响很大。2.温度和时间还影响金属材料的断裂形式。,当机件在TE以上工作时，金属的为裂纹由穿晶断裂过渡到晶间断裂。金属材料的等强温度 p200变形速度对它有较大的影响,金属在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。,第一节 金属的蠕变与蠕变断裂,金属：T0.3-0.4Tm ;陶瓷： T0.4-0.5Tm； 高分子材料TTg,一、 蠕变现象,金属
2、的蠕变过程可用蠕变曲线来描述。,蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速度。蠕变过程分成三个阶段。,第一阶段ab是减速蠕变阶段。这一阶段开始的蠕变速度很大，随着时间延长，蠕变速度逐淅减小，到b点蠕变速度达到最小值。第二阶段bc是恒速蠕变阶段。这一阶段的特点是蠕变速度几乎保持不变，因而通常又称为稳态蠕变阶段。一般所反映的蠕变速度，就是以这一阶段的变形速度表示的。第三阶段cd是加速蠕变阶段，随着时间的延长，蠕变速度逐渐增大，直至d点产生蠕变断裂。,蠕变变形是通过位错滑移、位错攀移等方式实现的。 在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产生塞积现象，滑移便不能进行。 在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可能
3、使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成小角度亚晶界（此即高温回复阶段的多边化），从而导致金属材料的软化，使滑移继续进行。 在高温蠕变条件下，由于晶界强度降低，其变形量就大，有时甚至占总蠕变变形量的一半，这是蠕变变形的特点之一。,（一）蠕变变形机理,二 蠕变过程中变形与断裂机理,根据位错理论及蠕变变形方式对高温蠕变过程作简要说明。,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，造成形变强化。在高温下，位错虽可通过攀移形成亚晶而产生回复软化，但位错攀移的驱动力来自晶格畸变能的降低。在蠕变初期由于晶格畸变能较
4、小，所以回复软化过程不太明显。,蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶界变形以滑动和迁移方式交替进行。晶内滑移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界迁移则使金属软化。由于强化和软化的交替作用，当达到平衡时，就使蠕变速度保持恒定。,蠕变发展到第三阶段，由于裂纹迅速扩展，蠕变速度加快。当裂纹达到临界尺寸便产生蠕变断裂。,蠕变断裂主要是沿晶断裂。在裂纹成核和扩展过程中，晶界滑动引起的应力集中与空位的扩散起着重要作用。由于应力和温度的不同，裂纹成核有两种类型。1裂纹成核于三晶粒交会处，在高应力和较低温度下，在晶粒交会处由于晶界滑动造成应力集中而产生裂纹。,（二）蠕变断裂机理,2裂纹成核
5、分散于晶界上，在较低应力和较高温度下，蠕变裂纹常分散在晶界各处，特别易产生在垂直于拉应力方向的晶界上。,这种裂纹成核的过程为：首先由于晶界滑动在晶界的台阶（如经二相质点或滑移带的交截）处受阻而形成空洞。然后由于位错运动产生的大量空位，为了减少其表面能而向拉伸应力作用的晶界上迁移，当晶界上有空洞时，空洞便吸收空位而长大，形成裂纹,三 金属高温力学性能指标蠕变极限与持久强度,为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要金属材料具有一定的蠕变极限。蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。和常温下的屈服强度0.2相似。,（一）蠕变极限,蠕变极限一般有两种表示方法：A. 在给定(T
6、)下，使试样产生规定蠕变速度的应力值，以符号ET MN/m2 表示（其E为第二阶段蠕变速度，%/小时）。B. 在给定温度（T）下和在规定的试验时间（t，小时）内，使试样产生一定蠕变变形量（，%）的应力值，以符号 / t T MN/m2 表示。,蠕变极限表征了金属材料在高温长期载荷作用下对塑性变形的抗力。 对于高温材料还必须测定其在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力，即持久强度。,金属材料的持久强度，是在给定温度（T）下和规定的持续时间（t）内发生断裂的应力值，以tT MN/m2 表示。,二 、持久强度,变形抗力与断裂抗力是两种不同的性能指标,（一）合金化学成分的影响,耐热钢及合金的基体材料一般选
7、用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。,三、 影响蠕变极限及持久强度的主要因素,由蠕变断裂机理可知 要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速度； 要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须抑制晶界的滑动，也就是说要控制晶内和晶界的扩散过程。,（四）晶粒度的影响,（三）热处理工艺的影响,回火温度应高于使用温度100150以上，以提高其在使用温度下的组织稳定性。,晶粒大小对金属材料高温性能的影响很大。,（二）冶炼工艺的影响,熔点愈高的金属自扩散愈慢 层错能降低易形成扩展位错 弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移,五、聚合物的粘弹性与蠕变,1.温度对聚合物力学性能的影响,四 、应力松弛稳定性,高温下工作的紧固件常出现上紧的螺栓使用一段时间后松弛了的现象。应力随时间增加不断下降的现象叫做应力松弛。,非晶聚合物随温度变化可出现三种力学状态：即玻璃态、高弹态和粘流态，见图示。,蠕变是指在一定的温度和较小的恒定外力作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。,应力松弛是指在恒定温度和形变保持不变，聚合物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。,(1)蠕变,(2)应力松弛,2.聚合物的力学松弛粘弹性,本章完,
