第08章金屬高溫力學(xué)性能-材料力學(xué)性能

1、1第八章第八章 金屬高溫力學(xué)性能金屬高溫力學(xué)性能 在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動機(jī)等設(shè)備中，很多機(jī)件動機(jī)等設(shè)備中，很多機(jī)件長期在高溫下服役長期在高溫下服役。對。對于這類機(jī)件的材料，只考慮于這類機(jī)件的材料，只考慮常溫短時靜載常溫短時靜載時的力時的力學(xué)性能是不夠的。學(xué)性能是不夠的。 如化工設(shè)備中高溫高壓管道，雖然承受的應(yīng)如化工設(shè)備中高溫高壓管道，雖然承受的應(yīng)力力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度，但在長期，但在長期使用過程中會使用過程中會產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，即蠕變現(xiàn)象，即蠕變現(xiàn)象，使管徑逐步增大，使管徑逐步

2、增大，甚至?xí)?dǎo)致管道破裂甚至?xí)?dǎo)致管道破裂。2 對長期在高溫條件下工作的金屬機(jī)件，如果僅對長期在高溫條件下工作的金屬機(jī)件，如果僅考慮常溫短時靜載下的力學(xué)性能顯然是不夠的。因考慮常溫短時靜載下的力學(xué)性能顯然是不夠的。因為為溫度溫度和和作用時間作用時間對金屬材料的力學(xué)性能影響很大。對金屬材料的力學(xué)性能影響很大。 1、溫度的影響：溫度的影響：一般隨溫度升高，金屬材一般隨溫度升高，金屬材料的強(qiáng)度降低而塑性增加料的強(qiáng)度降低而塑性增加。 2、載荷持續(xù)時間的影響：載荷持續(xù)時間的影響：如果不考慮環(huán)境如果不考慮環(huán)境介質(zhì)的影響，則可認(rèn)為材料的常溫靜載力學(xué)性能介質(zhì)的影響，則可認(rèn)為材料的常溫靜載力學(xué)性能與載荷持續(xù)時間

3、關(guān)系不大。但與載荷持續(xù)時間關(guān)系不大。但在高溫下，載荷持在高溫下，載荷持續(xù)時間對力學(xué)性能有很大影響續(xù)時間對力學(xué)性能有很大影響。3 0.5 0.5時，為時，為“高溫高溫”；反之則；反之則為為“低溫低溫” ” 。 意義意義：對于不同的金屬材料，：對于不同的金屬材料，在同樣的約比在同樣的約比溫度下，其蠕變行為相似，其力學(xué)性能變化規(guī)律也溫度下，其蠕變行為相似，其力學(xué)性能變化規(guī)律也是相同的是相同的。 68 81 1 金屬的蠕變現(xiàn)象金屬的蠕變現(xiàn)象 一、蠕變的定義一、蠕變的定義 金屬在長時間恒溫、恒載荷（即使應(yīng)力小于該金屬在長時間恒溫、恒載荷（即使應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)度）作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的溫度下的

4、屈服強(qiáng)度）作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象現(xiàn)象。 由蠕變變形導(dǎo)致的材料的斷裂，稱為稱為由蠕變變形導(dǎo)致的材料的斷裂，稱為稱為蠕變?nèi)渥償嗔褦嗔选?蠕變在低溫下也會產(chǎn)生，但蠕變在低溫下也會產(chǎn)生，但只有當(dāng)約比溫度大只有當(dāng)約比溫度大于于0.3時才比較顯著時才比較顯著。如碳鋼超過。如碳鋼超過300、合金鋼超、合金鋼超過過400時就必須考慮蠕變的影響。時就必須考慮蠕變的影響。7 二、金屬的蠕變過程二、金屬的蠕變過程 金屬的蠕變過程可用蠕變曲線來描述，典型的金屬的蠕變過程可用蠕變曲線來描述，典型的蠕變曲線蠕變曲線如圖所示如圖所示。 按按蠕變速率蠕變速率的變化，曲線可以分為三個階段：的變化，曲線可以分為三個階段：

5、 第一階段第一階段：ab 減速蠕變階段，又稱過渡蠕變減速蠕變階段，又稱過渡蠕變階段。開始大，逐漸減速；階段。開始大，逐漸減速； 第二階段第二階段：bc 恒速蠕變階段，又稱穩(wěn)態(tài)蠕變恒速蠕變階段，又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段。速率幾乎保持不變；階段。速率幾乎保持不變； 第三階段第三階段：cd 加速蠕變階段，逐漸增大，最加速蠕變階段，逐漸增大，最后產(chǎn)生斷裂。后產(chǎn)生斷裂。8 同一材料的蠕變曲線隨著溫度高低及應(yīng)力的同一材料的蠕變曲線隨著溫度高低及應(yīng)力的大小而有不同。大小而有不同。如圖所示如圖所示 應(yīng)力較小、溫度較低時應(yīng)力較小、溫度較低時：蠕變的恒速蠕變階：蠕變的恒速蠕變階段持續(xù)時間長，甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段；段持續(xù)

6、時間長，甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段； 應(yīng)力較大、溫度較高時應(yīng)力較大、溫度較高時：蠕變恒速蠕變階段：蠕變恒速蠕變階段持續(xù)時間短，甚至消失，試樣在短時間內(nèi)斷裂，持續(xù)時間短，甚至消失，試樣在短時間內(nèi)斷裂，主要為加速蠕變。主要為加速蠕變。9 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛 由于金屬在長時高溫載荷下會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，由于金屬在長時高溫載荷下會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，對于在高溫下工作、依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)對于在高溫下工作、依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)力的機(jī)件，如高溫管道內(nèi)用的螺栓等，隨時間的延力的機(jī)件，如高溫管道內(nèi)用的螺栓等，隨時間的延長，長，在總變形量不變的前提下，彈性變形變?yōu)樗苄栽诳傋冃瘟坎蛔兊那疤嵯?，彈性變形變?yōu)樗苄宰冃危瑥?/p>

7、而使工作應(yīng)力降低，導(dǎo)致失效。變形，從而使工作應(yīng)力降低，導(dǎo)致失效。 在溫度及初始應(yīng)力一定時，材料中的應(yīng)力在溫度及初始應(yīng)力一定時，材料中的應(yīng)力隨著時間的增加而減小的現(xiàn)象隨著時間的增加而減小的現(xiàn)象稱為稱為應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛。 可以看成應(yīng)力不斷降低條件下的蠕變過程。可以看成應(yīng)力不斷降低條件下的蠕變過程。 注意注意：應(yīng)力松弛與蠕變的區(qū)別：應(yīng)力松弛與蠕變的區(qū)別108-2 8-2 蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理 一、蠕變變形機(jī)理一、蠕變變形機(jī)理 金屬的蠕變變形主要通過位錯滑移、原子擴(kuò)散金屬的蠕變變形主要通過位錯滑移、原子擴(kuò)散等機(jī)理進(jìn)行，與溫度及應(yīng)力的變化有關(guān)。等機(jī)理進(jìn)行，與溫度及應(yīng)力的變化有關(guān)。

8、 （一）位錯滑移蠕變（一）位錯滑移蠕變 常溫下常溫下，如果滑移面上的位錯運(yùn)動受阻產(chǎn)生塞，如果滑移面上的位錯運(yùn)動受阻產(chǎn)生塞積，滑移就不能進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下積，滑移就不能進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位移重新運(yùn)動和增殖。位移重新運(yùn)動和增殖。 高溫下高溫下，位錯可借助于外界提供的，位錯可借助于外界提供的熱激活能熱激活能和和空位擴(kuò)散空位擴(kuò)散克服某些短程障礙，有利于加強(qiáng)位錯的運(yùn)克服某些短程障礙，有利于加強(qiáng)位錯的運(yùn)動（滑移、攀移、交滑移等），克服短程障礙。從動（滑移、攀移、交滑移等），克服短程障礙。從而產(chǎn)生塑性變形。而產(chǎn)生塑性變形。11 高溫下的熱激活過程主要是刃型位錯的攀移，高溫下的熱激活過

9、程主要是刃型位錯的攀移，模型。模型。如圖所示如圖所示 當(dāng)塞積在某種障礙前的位錯通過熱激活可以在當(dāng)塞積在某種障礙前的位錯通過熱激活可以在新的滑移面上運(yùn)動，或與異號位錯相遇對消、或形新的滑移面上運(yùn)動，或與異號位錯相遇對消、或形成亞晶界、或被晶界吸收。成亞晶界、或被晶界吸收。 當(dāng)塞積群中某一位錯被激活發(fā)生當(dāng)塞積群中某一位錯被激活發(fā)生攀移攀移時，位錯時，位錯源便可能再次放出一個位錯，從而形成源便可能再次放出一個位錯，從而形成動態(tài)回復(fù)動態(tài)回復(fù)過過程，蠕變得以不斷發(fā)展。程，蠕變得以不斷發(fā)展。12 在在蠕變第一階段蠕變第一階段：由于蠕變變形逐步產(chǎn)生：由于蠕變變形逐步產(chǎn)生應(yīng)變應(yīng)變硬化硬化，使位錯源移動的阻力及

10、位錯滑移的阻力逐漸，使位錯源移動的阻力及位錯滑移的阻力逐漸增大，使得蠕變速率不斷降低。也稱為增大，使得蠕變速率不斷降低。也稱為“減速蠕變減速蠕變階段階段”。 蠕變第一階段是很短的，不超過幾百小蠕變第一階段是很短的，不超過幾百小時。一般在高溫下工作的機(jī)件所要求的壽命都設(shè)定時。一般在高溫下工作的機(jī)件所要求的壽命都設(shè)定在蠕變第二階段。在蠕變第二階段。 在在蠕變第二階段蠕變第二階段：動態(tài)回復(fù)（軟化），硬化與：動態(tài)回復(fù)（軟化），硬化與軟化達(dá)到平衡，蠕變速率為一常數(shù)。軟化達(dá)到平衡，蠕變速率為一常數(shù)。13 （二）擴(kuò)散蠕變（二）擴(kuò)散蠕變 這是在這是在較高溫度下的一種蠕變變形機(jī)理較高溫度下的一種蠕變變形機(jī)理，約

11、比，約比溫度溫度t/tm0.5。 高溫和應(yīng)力的作用下，空位、原子的定向擴(kuò)散高溫和應(yīng)力的作用下，空位、原子的定向擴(kuò)散（不均勻應(yīng)力場）。（不均勻應(yīng)力場）。 材料產(chǎn)生蠕變。材料產(chǎn)生蠕變。 承受拉應(yīng)力（承受拉應(yīng)力（A、B晶界）的晶界，空位濃度減晶界）的晶界，空位濃度減?。怀惺軌簯?yīng)力（??；承受壓應(yīng)力（C、D晶界）的晶界，空位濃度增晶界）的晶界，空位濃度增加。加。如圖所示如圖所示 這種晶體內(nèi)空位從受拉晶界向受壓晶界遷移，這種晶體內(nèi)空位從受拉晶界向受壓晶界遷移，原子朝相反方向運(yùn)動，使得晶體伸長的蠕變，稱為原子朝相反方向運(yùn)動，使得晶體伸長的蠕變，稱為擴(kuò)散蠕變。擴(kuò)散蠕變。14 （三）晶界滑動（三）晶界滑動 高溫

12、和應(yīng)力的作用下，因晶界上的原子容易高溫和應(yīng)力的作用下，因晶界上的原子容易擴(kuò)散，受力后晶界易產(chǎn)生滑動（即晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)擴(kuò)散，受力后晶界易產(chǎn)生滑動（即晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動），也促進(jìn)蠕變進(jìn)行。動），也促進(jìn)蠕變進(jìn)行。 晶界滑動對蠕變的貢獻(xiàn)較小，一般在晶界滑動對蠕變的貢獻(xiàn)較小，一般在10左左右；此機(jī)理不是獨(dú)立的機(jī)理，因晶界滑動要與晶右；此機(jī)理不是獨(dú)立的機(jī)理，因晶界滑動要與晶內(nèi)滑移變形相配合，否則不能維持晶界的連續(xù)性，內(nèi)滑移變形相配合，否則不能維持晶界的連續(xù)性，導(dǎo)致晶界產(chǎn)生裂紋。導(dǎo)致晶界產(chǎn)生裂紋。 晶粒減小，晶界滑動對蠕變的作用越大。晶粒減小，晶界滑動對蠕變的作用越大。15 二、蠕變斷裂機(jī)理二、蠕變斷裂機(jī)理 實驗表明

13、，不同溫度及應(yīng)力條件下，晶界裂實驗表明，不同溫度及應(yīng)力條件下，晶界裂紋的形成方式有兩種：紋的形成方式有兩種： 1、在三晶粒交會處形成楔形裂紋在三晶粒交會處形成楔形裂紋 這是在這是在高應(yīng)力和低溫下高應(yīng)力和低溫下，由于晶界滑動在三，由于晶界滑動在三晶粒交會處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞晶粒交會處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞互相連接形成楔形裂紋。互相連接形成楔形裂紋。如圖所示如圖所示16 2、在晶界上由空洞形成晶界裂紋在晶界上由空洞形成晶界裂紋 這是較低應(yīng)力和較高溫度下產(chǎn)生的裂紋。這是較低應(yīng)力和較高溫度下產(chǎn)生的裂紋。 這種裂紋出現(xiàn)在晶界上突起的部位和細(xì)小的這種裂紋出現(xiàn)在晶界上突起的部位和細(xì)小

14、的第二相質(zhì)點(diǎn)附近，由于晶界滑動產(chǎn)生空洞，這些第二相質(zhì)點(diǎn)附近，由于晶界滑動產(chǎn)生空洞，這些空洞長大并連接，就形成裂紋?？斩撮L大并連接，就形成裂紋。如圖所示如圖所示 由于蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生，所以晶界由于蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生，所以晶界的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小和晶粒度的均勻性對蠕變斷裂都會產(chǎn)生很大影響。和晶粒度的均勻性對蠕變斷裂都會產(chǎn)生很大影響。17 三、斷口特征三、斷口特征 1 1、宏觀特征宏觀特征 (1) 斷口附近產(chǎn)生斷口附近產(chǎn)生塑性變形塑性變形，在變形區(qū)附近有，在變形區(qū)附近有很多很多裂紋裂紋（斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)（斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜

15、裂龜裂現(xiàn)象）；現(xiàn)象）； (2) 由于高溫氧化，斷口表面被一層由于高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜氧化膜所所覆蓋。覆蓋。 2、微觀特征微觀特征 冰糖狀花樣的冰糖狀花樣的沿晶斷裂沿晶斷裂。188-3 8-3 高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素 一、蠕變極限一、蠕變極限 為了保證高溫長時載荷作用下的機(jī)件不會產(chǎn)生為了保證高溫長時載荷作用下的機(jī)件不會產(chǎn)生過量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。過量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。 1、定義定義 是材料在高溫長時載荷作用下的塑性變形抗力是材料在高溫長時載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)指標(biāo)。19 2、表達(dá)方式表達(dá)方式 (1) 在規(guī)定溫

16、度（在規(guī)定溫度（t）下，使試樣在規(guī)定時間內(nèi)）下，使試樣在規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率 不超過規(guī)定值時的最大應(yīng)力，不超過規(guī)定值時的最大應(yīng)力，用用 表示表示 。 例如：例如：表示表示：在：在600，穩(wěn)態(tài)蠕變速率，穩(wěn)態(tài)蠕變速率 =110-5%/時的時的蠕變極限為蠕變極限為60MPa。MPa606001015t20 (2) 在規(guī)定溫度（在規(guī)定溫度（t）與試驗時間（）與試驗時間（）內(nèi)，使）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率（試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率（）不超過規(guī)定值的最）不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力。用符號大應(yīng)力。用符號 表示。表示。 例如：例如：表示表示：材料在：材料在500溫度下，溫度下，10萬小

17、時，蠕變總伸萬小時，蠕變總伸長率長率=1%的蠕變極限為的蠕變極限為100MPa。 3、選取選取 選用哪種表示方法，根據(jù)服役工況來確定。選用哪種表示方法，根據(jù)服役工況來確定。若蠕變速率大而服役時間短，可取若蠕變速率大而服役時間短，可取表示方法。表示方法。反之，服役時間長，則取后一種表示方法。反之，服役時間長，則取后一種表示方法。 MPa10050010/15t/21 4、測試測試 蠕變試驗裝置，蠕變試驗裝置，如圖所示如圖所示。 具體試驗時，在同一溫度下要用具體試驗時，在同一溫度下要用4個以上的不個以上的不同應(yīng)力進(jìn)行蠕變試驗，到規(guī)定的時間（數(shù)百至數(shù)同應(yīng)力進(jìn)行蠕變試驗，到規(guī)定的時間（數(shù)百至數(shù)千小時）

18、后停止；千小時）后停止； 根據(jù)實驗結(jié)果繪出根據(jù)實驗結(jié)果繪出應(yīng)力應(yīng)力-穩(wěn)態(tài)蠕變速率或應(yīng)力穩(wěn)態(tài)蠕變速率或應(yīng)力-總伸長率關(guān)系曲線總伸長率關(guān)系曲線；如圖所示如圖所示 再用再用內(nèi)插法或外推法內(nèi)插法或外推法求蠕變極限。求蠕變極限。 注意注意：用外推法時，蠕變速率只能比最低試：用外推法時，蠕變速率只能比最低試驗點(diǎn)的數(shù)據(jù)低一個數(shù)量級；否則，外推值不可靠。驗點(diǎn)的數(shù)據(jù)低一個數(shù)量級；否則，外推值不可靠。22 二、持久強(qiáng)度極限二、持久強(qiáng)度極限 1 1、定義、定義 在規(guī)定溫度（在規(guī)定溫度（t t）下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時間）下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時間（）而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。用）而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。用 表示表示。 2 2

19、、選取、選取 對于設(shè)計某些在高溫運(yùn)轉(zhuǎn)過程中對于設(shè)計某些在高溫運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不考慮變形不考慮變形量大小量大小，而，而只考慮在承受給定應(yīng)力下使用壽命只考慮在承受給定應(yīng)力下使用壽命的的機(jī)件，一般選取持久強(qiáng)度。機(jī)件，一般選取持久強(qiáng)度。 如鍋爐的過熱蒸氣管，持久強(qiáng)度極限是很重如鍋爐的過熱蒸氣管，持久強(qiáng)度極限是很重要的性能指標(biāo)。要的性能指標(biāo)。t23 3 3、測試、測試 通過高溫拉伸持久試驗測定。不需要測定樣品通過高溫拉伸持久試驗測定。不需要測定樣品的伸長量，只要測定試樣在規(guī)定時間和應(yīng)力作用下的伸長量，只要測定試樣在規(guī)定時間和應(yīng)力作用下至斷裂的時間。至斷裂的時間。 對于設(shè)計壽命對于設(shè)計壽命幾百至數(shù)千小時的機(jī)件幾

20、百至數(shù)千小時的機(jī)件，材料的，材料的持久強(qiáng)度極限可持久強(qiáng)度極限可直接用同樣的時間進(jìn)行試驗確定直接用同樣的時間進(jìn)行試驗確定。 對于壽命長的機(jī)件，使用對于壽命長的機(jī)件，使用數(shù)萬以上小時數(shù)萬以上小時，不可，不可能長時間做測試，所以類似于蠕變試驗，一般做應(yīng)能長時間做測試，所以類似于蠕變試驗，一般做應(yīng)力較大、時間較短（數(shù)百小時）的試驗數(shù)據(jù)，繪出力較大、時間較短（數(shù)百小時）的試驗數(shù)據(jù)，繪出直線，通過直線，通過外推法外推法來求持久強(qiáng)度極限。來求持久強(qiáng)度極限。如圖所示如圖所示24 三、剩余應(yīng)力三、剩余應(yīng)力 1、松弛穩(wěn)定性松弛穩(wěn)定性：金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能。：金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能?？赏ㄟ^應(yīng)力松弛試驗測定

21、的應(yīng)力松弛曲線來評定。可通過應(yīng)力松弛試驗測定的應(yīng)力松弛曲線來評定。 2、金屬的松弛曲線金屬的松弛曲線：在規(guī)定溫度下，對試樣施：在規(guī)定溫度下，對試樣施加載荷，保持初始變形恒定，測定試樣上的應(yīng)力隨加載荷，保持初始變形恒定，測定試樣上的應(yīng)力隨時間延長而降低的曲線。時間延長而降低的曲線。如圖所示如圖所示 3、剩余應(yīng)力剩余應(yīng)力：應(yīng)力松弛試驗中任一時間試樣上：應(yīng)力松弛試驗中任一時間試樣上所保持的應(yīng)力，用所保持的應(yīng)力，用r（以前用（以前用sh）。是評定金屬材）。是評定金屬材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。 4、松弛應(yīng)力松弛應(yīng)力：試樣上所減少的應(yīng)力，即初始應(yīng)：試樣上所減少的應(yīng)力，即初始應(yīng)力與剩

22、余應(yīng)力之差，用力與剩余應(yīng)力之差，用re表示（以前用表示（以前用so） 。25 對于不同金屬材料或同種材料經(jīng)過不同的熱對于不同金屬材料或同種材料經(jīng)過不同的熱處理，在相同試驗溫度和初始應(yīng)力下，經(jīng)規(guī)定時間處理，在相同試驗溫度和初始應(yīng)力下，經(jīng)規(guī)定時間后，后，剩余應(yīng)力越高，松弛穩(wěn)定性越好剩余應(yīng)力越高，松弛穩(wěn)定性越好。 例如：例如：20Cr1Mo1V1鋼廣泛應(yīng)用于氣輪機(jī)、燃鋼廣泛應(yīng)用于氣輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)緊固件，經(jīng)過不同的熱處理工藝（正火、油氣輪機(jī)緊固件，經(jīng)過不同的熱處理工藝（正火、油淬回火）后的應(yīng)力松弛曲線（初始應(yīng)力淬回火）后的應(yīng)力松弛曲線（初始應(yīng)力0300MPa）如圖所示如圖所示?？梢?，正火工藝的剩余應(yīng)力

23、?？梢?，正火工藝的剩余應(yīng)力高，說明其具有較好的應(yīng)力松弛穩(wěn)定性。高，說明其具有較好的應(yīng)力松弛穩(wěn)定性。26 四、影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素四、影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素 根據(jù)蠕變變形與斷裂機(jī)理可知，要提高蠕變根據(jù)蠕變變形與斷裂機(jī)理可知，要提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速率，要提高持久強(qiáng)極限，必須控制位錯攀移的速率，要提高持久強(qiáng)度極限，必須控制晶界的滑動。度極限，必須控制晶界的滑動。 也就是說要提高金屬材料的高溫力學(xué)性能，也就是說要提高金屬材料的高溫力學(xué)性能，就應(yīng)就應(yīng)控制晶內(nèi)及晶界的原子擴(kuò)散過程控制晶內(nèi)及晶界的原子擴(kuò)散過程。這主要取。這主要取決于合金的化學(xué)成分、冶煉工藝、熱處理工藝等決于合

24、金的化學(xué)成分、冶煉工藝、熱處理工藝等因素。因素。27 （一）合金化學(xué)成分的影響（一）合金化學(xué)成分的影響 位錯越過障礙所需的蠕變激活能越高的金屬，位錯越過障礙所需的蠕變激活能越高的金屬，越難產(chǎn)生蠕變變形。越難產(chǎn)生蠕變變形。 實驗表明純金屬的實驗表明純金屬的蠕變激活能蠕變激活能大約與其大約與其擴(kuò)散激擴(kuò)散激活能活能接近，所以接近，所以耐熱鋼及合金的基體材料一般選用耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。 可加入：可加入：熔點(diǎn)高的熔點(diǎn)高的Me ，含有能形成彌散相的含有能形成彌散相的Me、能增加晶界擴(kuò)散激活能的能增加晶界擴(kuò)

25、散激活能的Me（硼、稀土）。（硼、稀土）。詳細(xì)如下詳細(xì)如下28 (1) 在基體中加入在基體中加入鉻、鉬、鎢、鈮鉻、鉬、鎢、鈮等等Me形成單形成單相固溶體，除產(chǎn)生固溶強(qiáng)化外，還因相固溶體，除產(chǎn)生固溶強(qiáng)化外，還因Me使層錯能降使層錯能降低，易形成擴(kuò)展位錯，且溶質(zhì)原子與溶劑原子的結(jié)低，易形成擴(kuò)展位錯，且溶質(zhì)原子與溶劑原子的結(jié)合力較強(qiáng)，增大了合力較強(qiáng)，增大了擴(kuò)散激活能擴(kuò)散激活能，從而，從而提高提高蠕變極限。蠕變極限。 (2) 加入能形成加入能形成彌散相彌散相的的Me，彌散相能強(qiáng)烈阻，彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯的滑移，是提高高溫強(qiáng)度的有效方法。彌散礙位錯的滑移，是提高高溫強(qiáng)度的有效方法。彌散相粒子相粒子硬度越

26、高，彌散度越大，穩(wěn)定性越高硬度越高，彌散度越大，穩(wěn)定性越高，則，則強(qiáng)強(qiáng)化作用越好化作用越好。 (3) 添加能添加能增加晶界擴(kuò)散激活能增加晶界擴(kuò)散激活能的的Me，如，如硼、硼、稀土稀土等，既能阻礙晶界滑動，又增大晶界裂紋面的等，既能阻礙晶界滑動，又增大晶界裂紋面的表面能，對提高蠕變極限和持久強(qiáng)度極限有效。表面能，對提高蠕變極限和持久強(qiáng)度極限有效。29 （二）冶煉工藝的影響（二）冶煉工藝的影響 冶煉時：冶煉時：盡量減少夾雜物和某些冶金缺陷盡量減少夾雜物和某些冶金缺陷。 各種耐熱鋼及高溫合金對冶煉工藝的要求較高，各種耐熱鋼及高溫合金對冶煉工藝的要求較高，由于鋼中的由于鋼中的夾雜物夾雜物和和某些冶金缺

27、陷某些冶金缺陷會使材料的持久會使材料的持久強(qiáng)度極限降低。強(qiáng)度極限降低。 高溫合金對高溫合金對雜質(zhì)元素及氣體含量雜質(zhì)元素及氣體含量要求很嚴(yán)格，要求很嚴(yán)格，即使含量只有十萬分之一，當(dāng)其在晶界偏聚后，會即使含量只有十萬分之一，當(dāng)其在晶界偏聚后，會導(dǎo)致晶界的嚴(yán)重弱化，使熱彈性降低。導(dǎo)致晶界的嚴(yán)重弱化，使熱彈性降低。 30 （三）熱處理工藝的影響（三）熱處理工藝的影響 不同鋼種其熱處理工藝不同不同鋼種其熱處理工藝不同。 例：例：珠光體耐熱鋼珠光體耐熱鋼一般采用正火一般采用正火+高溫回火工高溫回火工藝，正火溫度較高，以促使碳化物充分溶于奧氏體藝，正火溫度較高，以促使碳化物充分溶于奧氏體中，回火溫度高于使用

28、溫度中，回火溫度高于使用溫度100150，以提高，以提高使用溫度下的組織穩(wěn)定性。使用溫度下的組織穩(wěn)定性。 采用采用形變熱處理形變熱處理改變晶界的形狀，形成鋸齒狀，改變晶界的形狀，形成鋸齒狀，并在晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界，則可使合金進(jìn)一步并在晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界，則可使合金進(jìn)一步強(qiáng)化。強(qiáng)化。31 （四）晶粒度的影響（四）晶粒度的影響 使用溫度使用溫度低于等強(qiáng)溫度低于等強(qiáng)溫度時，時，細(xì)晶粒鋼有較高的細(xì)晶粒鋼有較高的強(qiáng)度強(qiáng)度； 使用溫度使用溫度高于等強(qiáng)溫度高于等強(qiáng)溫度時，時，粗晶粒鋼有較高的粗晶粒鋼有較高的蠕變極限和持久強(qiáng)度極限蠕變極限和持久強(qiáng)度極限，但晶粒太大會降低高溫，但晶粒太大會降低高溫下的塑

29、性與韌性。隨合金成分及工作條件不同下的塑性與韌性。隨合金成分及工作條件不同有一有一最佳晶粒度范圍最佳晶粒度范圍； 晶粒度不均勻，會顯著降低其高溫性能晶粒度不均勻，會顯著降低其高溫性能，這是，這是由于在大小晶粒交界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中形成裂紋。由于在大小晶粒交界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中形成裂紋。328-4 8-4 其他高溫力學(xué)性能其他高溫力學(xué)性能 一、高溫短時拉伸性能一、高溫短時拉伸性能 （火箭、導(dǎo)彈發(fā)射）（火箭、導(dǎo)彈發(fā)射） 瞬時高溫強(qiáng)度；熱塑性；蠕變不起決定作用時。瞬時高溫強(qiáng)度；熱塑性；蠕變不起決定作用時。 二、高溫硬度二、高溫硬度 工具材料（紅硬性），高溫軸承。工具材料（紅硬性），高溫軸承。 測高溫硬度的壓頭。測高溫硬度的壓頭。33高溫力學(xué)性能與室溫力學(xué)性能的對比高溫力學(xué)性能與室溫力學(xué)性能的對比 高高 溫溫 室室 溫溫性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)： b b=f(t, ) =f(t, ) b b=C, =C, =C=C 蠕變，應(yīng)力松馳，蠕變，應(yīng)力松馳， 蠕變與疲勞的交互作用蠕變與疲勞的交互作用變形機(jī)制：變形機(jī)制： 不會產(chǎn)生孿晶；滑移不會產(chǎn)生孿晶；滑移 晶內(nèi)滑移和孿晶晶內(nèi)滑移和孿晶 晶界起主要作用晶界起主要作用 晶界起阻礙作用晶界起阻礙作用提高力學(xué)性能：提高力學(xué)性能： 增