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1、 高溫及環(huán)境下的高溫及環(huán)境下的材料力學(xué)性能材料力學(xué)性能 USTLUSTL 高溫:是指機件的服役溫度超過金屬的再結(jié)晶溫度。在這樣的溫度下長時服役，材料的微觀結(jié)構(gòu)、形變和斷裂機制都會發(fā)生變化。 室溫下具有優(yōu)良力學(xué)性能的材料不一定能滿足機件在高溫下長時服役對力學(xué)性能的要求。因為材料的力學(xué)性能隨溫度變化規(guī)律各不相同。形變金屬在高溫下要發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶，同時，在變形過程中引入的大量缺陷(如空位、位錯等)也隨之發(fā)生變化，表現(xiàn)出殘余內(nèi)應(yīng)力的消除、多邊形化和亞晶粒合并等現(xiàn)象。在性能上，一般隨溫度的升高，強度降低，而塑性增加。材料在高溫下的性能除與加載方式、載荷大小有關(guān)外，還受載荷持續(xù)時間的影響。因此，考慮高溫

2、強度因素對結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，也成為一個很重要的方面。另外，在高溫作用下，構(gòu)件環(huán)境介質(zhì)的腐蝕活性隨溫度升高而很快增加，這種腐蝕介質(zhì)大大加速了高溫下的裂紋生成與擴展。 材料的高溫力學(xué)性能指標有蠕變極限、持久強度、應(yīng)力松弛穩(wěn)定性、高溫短時拉伸及高溫硬度、高溫疲勞以及疲勞與蠕變交互作用性能等。本章主要介紹和討論高溫蠕變現(xiàn)象、蠕變曲線、蠕變過程中材料顯微組織的變化、特性和斷裂機制，以及材料的應(yīng)力腐蝕與氫脆相關(guān)的內(nèi)容。 USTLUSTL7.1 7.1 材料的蠕變材料的蠕變 7.1.1 蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線 材料在高溫和恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會發(fā)生緩慢的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為材料

3、的蠕變。由于這種變形而導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。材料不同，發(fā)生蠕變的溫度也不同，如鉛、錫等低熔點金屬在室溫就會發(fā)生明顯的蠕變現(xiàn)象，而碳鋼要在400左右、高溫合金在500以上才出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。在工程上，一般都是指的高溫蠕變，蠕變溫度在0.5Tm以上。材料蠕變可以發(fā)生于各種應(yīng)力狀態(tài)，可以在一種應(yīng)力下發(fā)生，也可以在復(fù)合應(yīng)力作用下發(fā)生。但通常以拉伸條件下的指標表示其抗蠕變性能，蠕變試驗采用靜力法，即在試驗溫度不變的前提下，載荷保持恒定。 USTLUSTL7.1 7.1 材料的蠕變材料的蠕變 Oa線段是試樣在t溫度下承受恒定拉應(yīng)力時所產(chǎn)生的起始伸長率0。它是載荷引起的瞬時應(yīng)變，是外加載荷引起的一般過程，

4、不是蠕變。蠕變曲線大致可以分為三階段：曲線ab區(qū)是蠕變第階段，該階段開始時，蠕變速率較大，隨時間延長，蠕變速率逐漸減小到b點，達最小值，該階段被稱為減速蠕變階段或過渡蠕變階段；曲線bc區(qū)稱為第階段，蠕變速率保持不變，說明硬化與軟化相平衡，該階段蠕變速率最小，通常稱為穩(wěn)態(tài)蠕變或恒速蠕變階段；曲線cd區(qū)稱為第階段，蠕變速率隨時間延長，又開始增大，最后導(dǎo)致失穩(wěn)斷裂，該階段又被稱為加速蠕變階段。 USTLUSTL7.1 7.1 材料的蠕變材料的蠕變 對同一種材料， 蠕變曲線形狀隨應(yīng)力、溫度變化而變化， 溫度升高或應(yīng)力升高， 曲線第階段縮短。在高溫或高應(yīng)力下，甚至沒有第或，階段，只有第或，階段，而在另一

5、些情況，如低應(yīng)力低溫度下，只有第，階段，即斷裂，而沒有第階段。 USTLUSTL7.1 7.1 材料的蠕變材料的蠕變 蠕變曲線解析式：0n求導(dǎo)，有：1nn 因為0n1，所以當很小時，即開始蠕變時，第一項起主導(dǎo)作用，它表示應(yīng)變速率隨時間t延長而下降，即第階段蠕變；當很大時，第二項逐漸起主導(dǎo)作用，應(yīng)變速率接近恒定值，即第階段蠕變。0，和n值是與溫度、應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，其中，的物理意義是第階段的蠕變速率。 USTLUSTL7.1 7.1 材料的蠕變材料的蠕變 對于金屬材料，在蠕變過程中，通?；迫允且粋€主要現(xiàn)象。在緩慢蠕變變形的同時，有時還會出現(xiàn)回復(fù)現(xiàn)象。第階段就能觀察到亞晶形成；第階段，亞

6、晶逐漸完整，尺寸增大到一定程度后，一直到第階段，保持不變。亞晶尺寸一般隨應(yīng)力下降和溫度上升而有所增大。按蠕變期間是否發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，將蠕變分為兩類：低溫蠕變，完全不發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶；高溫蠕變，同時進行回復(fù)和再結(jié)晶，其再結(jié)晶溫度比通常的再結(jié)晶溫度低，并且不一定回復(fù)完成后，才開始再結(jié)晶。此外，金屬材料的組織在蠕變過程中可能會出現(xiàn)一些復(fù)雜變化。如鎳基高溫合金在高溫下工作一段時間后，碳化物會沿滑移線聚集、強化相粗化、在基體內(nèi)析出針狀相、相和相等。7.1.2 蠕變過程組織結(jié)構(gòu)變化蠕變過程組織結(jié)構(gòu)變化 USTLUSTL7.2 7.2 蠕變變形及斷裂機制蠕變變形及斷裂機制從機制上，蠕變變形可分為位錯滑移蠕變

7、、擴散蠕變和晶界滑動蠕變?nèi)N。 (1) 位錯滑移蠕變 蠕變變形過程中，位錯滑移仍是一種重要的變形機制。高溫蠕變中的滑移變形與室溫下基本相同。但在高溫下，會出現(xiàn)新的滑移系，例如，高溫下，面心立方晶體中會出現(xiàn)100和211滑移， 鋅和鎂出現(xiàn)非基面的滑移系，而且滑移系不像室溫下那樣均勻分布。 當位錯因受到各種障礙阻滯產(chǎn)生塞積，滑移不能繼續(xù)進行，只有施加更大的外力，才能引起位錯重新運動和繼續(xù)變形，這就出現(xiàn)了硬化；受恒應(yīng)力作用的位錯在高溫下可借助外界提供的熱激活能和空位擴散來克服某些障礙，從而使變形不斷產(chǎn)生，出現(xiàn)軟化。 位錯熱激活方式有多種，如螺位錯交滑移、刃位錯攀移、帶割階位錯靠空位和原子擴散運動等。

8、高溫下，位錯熱激活主要是刃位錯的攀移。刃位錯攀移克服障礙有幾種模型 7.2.1 蠕變變形機制蠕變變形機制 USTLUSTL7.2 7.2 蠕變變形及斷裂機制蠕變變形及斷裂機制 (2) 擴散蠕變 在高溫低應(yīng)力條件下，會發(fā)生以原子作定向流動的蠕變現(xiàn)象，即擴散蠕變。金屬材料受拉應(yīng)力時，多晶體內(nèi)存在不均勻應(yīng)力場。對承受拉應(yīng)力的晶界(如晶界A，B)，空位濃度增大，對承受壓應(yīng)力的晶界(如晶界C，D)，空位濃度減小，因而空位將從受拉應(yīng)力的晶界到受壓應(yīng)力的晶界遷移，原子則向相反方向流動，致使晶體逐漸伸長。7.2.1 蠕變變形機制蠕變變形機制 USTLUSTL7.2 7.2 蠕變變形及斷裂機制蠕變變形及斷裂機制

9、(3) 晶界滑動蠕變 常溫下，晶界滑動極不明顯，可以忽略。但在高溫下，由于晶界上原子易于擴散，受力后易于產(chǎn)生滑動，故而促進蠕變進行。隨溫度提高，應(yīng)力減小，晶粒尺寸減小，晶界滑動對蠕變變形的影響增大。但總體來說，晶界滑動在總?cè)渥兞恐兴急壤淮?，?0%左右。 晶界滑動有兩種：一種是晶界兩邊晶界沿晶界相錯動；另一種是晶界沿其法線方向遷移。7.2.1 蠕變變形機制蠕變變形機制 USTLUSTL7.2 7.2 蠕變變形及斷裂機制蠕變變形及斷裂機制 金屬材料在高溫持久載荷作用下，多數(shù)為沿晶斷裂。 由此可推斷蠕變造成的損傷主要產(chǎn)生在晶界。 7.2.2 蠕變損傷和斷裂機制蠕變損傷和斷裂機制 USTLUST

10、L7.2 7.2 蠕變變形及斷裂機制蠕變變形及斷裂機制晶界裂紋的形成方式主要有兩種：在三晶界交匯處，形成楔形裂紋，通常，多出現(xiàn)在高應(yīng)力較低溫度下。 在晶界形成空洞，空洞連接成為裂紋。這種裂紋一般在低應(yīng)力較高溫度條件下形成。其形成位置往往處于與外加拉應(yīng)力垂直的晶界上 。7.2.2 蠕變損傷和斷裂機制蠕變損傷和斷裂機制 USTLUSTL7.3 7.3 蠕變、持久強度極限蠕變、持久強度極限 在規(guī)定溫度(t)下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力。 7.3.1 蠕變極限和持久強度極限蠕變極限和持久強度極限55001 1060aMP應(yīng)變速率1105 /h500 oC 在規(guī)定溫度(t)和規(guī)定的試驗時間

11、內(nèi)，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的總應(yīng)變量的最大應(yīng)力 56001/10100aMP600 oC總伸長率1105h USTLUSTL持久極限： 在規(guī)定溫度(t)下，達到規(guī)定的持續(xù)時間抵抗斷裂的最大應(yīng)力。7.3.1 蠕變極限和持久強度極限蠕變極限和持久強度極限560010200aMP600 oC105h7.3 7.3 蠕變、持久強度極限蠕變、持久強度極限 USTLUSTL(1) 等溫線外推法 在同一溫度下，由較高的不同應(yīng)力下的短期數(shù)據(jù)，用應(yīng)力和斷裂時間(或蠕變速率)的既定關(guān)系，外推較小應(yīng)力下的長期蠕變極限或持久強度極限。實驗溫度一般選擇部件的工作溫度，在這一實驗溫度下，選擇一些實驗應(yīng)力，得到相應(yīng)的蠕變速率或斷裂

12、時間，以一定的坐標進行直線外推，得到蠕變極限或持久強度極限。7.3.2 外推法外推法7.3 7.3 蠕變、持久強度極限蠕變、持久強度極限(2) 時間溫度參數(shù)法 這種方法的出發(fā)點是提高試驗溫度，以縮短試驗時間，即在一定應(yīng)力下，由較高溫度下的短期蠕變試驗數(shù)據(jù)來推斷在較低溫度下的長期蠕變數(shù)據(jù)。 USTLUSTL高溫下(通常指再結(jié)晶溫度以上)，材料的疲勞與室溫下的疲勞相似，也由裂紋萌生、擴展和最終斷裂三個階段組成。裂紋尖端的非彈性應(yīng)變對上述行為起著決定作用。但高溫疲勞有其自身特點，還必須考慮溫度、時間、環(huán)境氣氛和疲勞過程中金屬組織變化等因素的綜合作用，因此，它比常溫疲勞復(fù)雜得多。無論是光滑試樣，還是缺

13、口試樣，一般隨溫度升高，疲勞強度降低。例如，鋼在300以上，每升高100，疲勞抗力下降約15%20%； 耐熱合金下降5%10%。但有些合金，因高溫下的物理化學(xué)過程，可能在某溫度區(qū)域疲勞抗力回升， 如應(yīng)變時效合金有時會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。 7.4 7.4 疲勞與蠕變的相互作用疲勞與蠕變的相互作用 USTLUSTL7.8 7.8 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛 材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，可用松弛曲線來評定。松弛曲線第一階段的晶粒間抵抗應(yīng)力松弛的能力用溫度系數(shù)S0表示。S0=0/0，式中0為初始應(yīng)力，0為松弛曲線第二階段的初始應(yīng)力。 USTLUSTL7.8 7.8 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛 USTLUSTL7.9

14、7.9 影響高溫性能的因素影響高溫性能的因素化學(xué)成分 耐熱鋼及耐熱合金的基體材料一般選用熔點高、自擴散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。這是因為在一定溫度下，熔點越高的金屬，自擴散激活能越大，因而自擴散越慢；層錯能越低的材料，越容易形成擴展位錯， 使位錯越難以產(chǎn)生割階、交滑移及攀移，這將有利于降低蠕變速率。面心立方結(jié)構(gòu)金屬(如Ni)層錯能低，所以鎳基合金高溫性能穩(wěn)定性比鐵基合金高。 在基體金屬中加入Cr，Mo，W，Co，Nb等合金元素，形成單相固溶體，除產(chǎn)生固溶強化外，還將降低層錯能。一般來說，溶質(zhì)熔點越高，其原子半徑與溶劑金屬原子相差越大，越有利于提高熱強性。 冶煉工藝晶粒度 USTLUSTL

15、7.10 7.10 環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能 金屬機件(或構(gòu)件)在服役過程中，經(jīng)常要與周圍環(huán)境中的各種介質(zhì)相接觸。環(huán)境介質(zhì)對金屬材料力學(xué)性能的影響，稱為環(huán)境效應(yīng)。由于環(huán)境效應(yīng)的作用，金屬所承受的應(yīng)力即使低于其屈服強度，也會產(chǎn)生突然脆斷的現(xiàn)象，即為環(huán)境斷裂。7.10.1 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 金屬在拉應(yīng)力和特定的環(huán)境介質(zhì)作用下，經(jīng)過一段時間，所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。 在工業(yè)上，最常見的有：低碳鋼和低合金鋼在苛性堿溶液中的“堿脆”和在含有硝酸根離子介質(zhì)中的“硝脆”，奧氏體不銹鋼在含有氯離子介質(zhì)中的“氯脆”，銅合金在氨氣環(huán)境下的“氨脆”，以及高強度鋁合金在空氣、

16、蒸餾水中的脆裂現(xiàn)象等。上面所列舉的金屬材料無論是韌性的或脆性的，都會在沒有明顯預(yù)兆的情況下產(chǎn)生脆斷，常常造成災(zāi)難性事故。所以，應(yīng)力腐蝕斷裂是一種較為普遍的而且是極為危險的斷裂形式。 USTLUSTL7.10 7.10 環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能應(yīng)力、環(huán)境介質(zhì)和金屬材料三者是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的影響條件。 應(yīng)力。中起作用的是拉應(yīng)力。焊接、熱處理或裝配過程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力在應(yīng)力腐蝕斷裂中也有重要作用。 環(huán)境介質(zhì)。某種金屬材料，只有在特定的介質(zhì)中，才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。 一般認為，純金屬不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，所有合金對應(yīng)力腐蝕都有不同程度的敏感性。但在每一種合金系列中，都有對應(yīng)力腐蝕不

17、敏感的合金成分。 USTLUSTL7.10 7.10 環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能由于氫和應(yīng)力的聯(lián)合作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象， 稱為氫脆斷裂。(1) 氫蝕 這是由于氫與金屬中的第二相作用，生成高壓氣體，使基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致金屬脆化。 (2) 白點(發(fā)紋) 這是由于鋼中含有過量的氫，隨著溫度降低，氫的溶解度減小，但過飽和的氫未能擴散外逸，因而在某些缺陷處聚集成氫分子。此時，體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力很大，足以把材料局部撕裂，而使鋼中形成白點。(3) 氫化物致脆 在純鈦、Ti合金、釩、鋯、鈮及其合金中，它們與氫有較大的親和力，極易形成氫化物，使塑性、韌性降低，產(chǎn)生脆化。(4) 氫致延滯斷裂 高強度鋼或+Ti合金中含有適量的處于固溶狀態(tài)的氫(原來存在的或從環(huán)境介質(zhì)中吸收的)，在低于屈服強度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段孕育期后，在內(nèi)部特別是在三向拉應(yīng)力區(qū)，形成裂紋，裂紋逐步擴展，最后突然發(fā)生脆性斷裂。這種由于