金屬高溫力學(xué)性能

金屬高溫力學(xué)性能.ppt2/37

(3)1922年狄根遜提出，在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)承受應(yīng)力時(shí)，尤其是在高溫下，任何材料在低于σb(室溫或試驗(yàn)溫度)時(shí)也會(huì)發(fā)生破壞——蠕變的研究?，F(xiàn)當(dāng)代：

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、石油化工機(jī)械等發(fā)展—高溫(T)、長期(t)。3/37一、溫度對金屬材料機(jī)械性能影響1、通常金屬的變形抗力隨溫度↑而↓：隨T↑,σ、HB↓。2、原因—晶格阻力下降，原子活動(dòng)能力提高。(1)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙↓；(2)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方式↑：交滑移、攀移；(3)存在回復(fù)、再結(jié)晶等軟化機(jī)制；(4)存在晶界運(yùn)動(dòng)等形變機(jī)制。4/37二、時(shí)間對金屬材料力學(xué)性能的影響高溫下力學(xué)性能與載荷持續(xù)時(shí)間關(guān)系很大。例如：鋼的σb隨載荷持續(xù)時(shí)間↑而↓。故：(1)常溫下研究時(shí)：應(yīng)力－應(yīng)變曲線。(2)高溫下研究時(shí)：應(yīng)力－應(yīng)變+溫度+時(shí)間。5/37三、溫度和時(shí)間對斷裂路徑的影響溫度T↑，載荷t↑，斷裂由穿晶斷裂過渡到沿晶斷裂。原因：隨溫度T↑，晶界強(qiáng)度下降速度快于晶內(nèi)強(qiáng)度的下降。6/37四、等強(qiáng)溫度(TE)概念晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的溫度，稱為等強(qiáng)溫度。T<TE時(shí)，穿晶斷裂。T>TE時(shí)，沿晶斷裂。7/37圖8-1溫度和變形速率對金屬斷裂路徑的影響(a)等強(qiáng)溫度TE(b)變形速率對TE的影響

晶界強(qiáng)度對變形速度的敏感性比晶內(nèi)強(qiáng)度大，所以，變形速率↑，TE↑。8/37

(1)當(dāng)約比溫度>0.5時(shí)——高溫狀態(tài)。(2)當(dāng)約比溫度<0.5時(shí)——低溫狀態(tài)。(3)不同的金屬材料，在同樣的約比溫度下，其蠕變行為相似，力學(xué)性能的變化規(guī)律也是相同的。五、高溫和低溫的判定9/37一、蠕變現(xiàn)象1、蠕變：金屬在長時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變。約比溫度T/Tm>0.3時(shí)須考慮。2、蠕變斷裂：由蠕變而最后導(dǎo)致材料的斷裂?！?.1金屬的蠕變現(xiàn)象10/373、蠕變曲線

圖8-2典型蠕變曲線11/37

(1)第一階段：減速蠕變階段也稱過渡蠕變階段、初級(jí)蠕變或第一階段蠕變，Primarycreep。加工硬化占主體。以晶內(nèi)滑移和晶界滑動(dòng)方式產(chǎn)生變形。位錯(cuò)剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，障礙較少，蠕變速度較快。隨后位錯(cuò)逐漸塞積、位錯(cuò)密度逐漸增大，晶格畸變不斷增加，造成形變強(qiáng)化。在高溫下，位錯(cuò)雖可通過攀移形成亞晶而產(chǎn)生回復(fù)軟化，但位錯(cuò)攀移的驅(qū)動(dòng)力來自晶格畸變能的降低。在蠕變初期由于晶格畸變能較小，所以回復(fù)軟化過程不太明顯。12/37(2)第二階段：恒速蠕變階段也稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段、第二階段蠕變或二級(jí)蠕變，secondarycreep。加工硬化與回復(fù)等軟化機(jī)制作用相等。晶內(nèi)變形以位錯(cuò)滑移和攀移方式交替進(jìn)行，晶界變形以滑動(dòng)和遷移方式交替進(jìn)行。晶內(nèi)滑移和晶界滑動(dòng)使金屬強(qiáng)化，但位錯(cuò)攀移和晶界遷移則使金屬軟化。由于強(qiáng)化和軟化的交替作用，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，就使蠕變速度保持恒定。13/37

(3)第三階段：加速蠕變階段隨τ↑，蠕變速率↑，直至蠕變斷裂。也是一個(gè)裂紋形成和擴(kuò)展的過程。由于裂紋迅速擴(kuò)展，蠕變速度加快。當(dāng)裂紋達(dá)到臨界尺寸便產(chǎn)生蠕變斷裂。14/37注：同一材料的蠕變曲線隨應(yīng)力、溫度而變。圖8-3(a)恒溫改變應(yīng)力；(b)恒應(yīng)力下改變溫度15/371、蠕變的變形機(jī)制(1)常溫下：位錯(cuò)的增殖與運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生塑性變形→位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻→變形停止。(2)但在高溫下：外界提供熱激活能，促進(jìn)原子擴(kuò)散→位錯(cuò)持續(xù)運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生了蠕變變形。§8.2蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)制16/37

(1)位錯(cuò)滑移蠕變變形時(shí)，溫度升高，原子擴(kuò)散加劇，促進(jìn)位錯(cuò)攀移引起動(dòng)態(tài)回復(fù)，形成亞晶，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力下降，從而可以進(jìn)一步蠕變變形，動(dòng)態(tài)回復(fù)起主要作用。圖8-4刃型位錯(cuò)攀移克服障礙的模型17/37

(2)擴(kuò)散蠕變在更高溫度(甚至接近于Tm時(shí))→原子擴(kuò)散進(jìn)一步加劇→較多數(shù)量的原子(空位)直接發(fā)生遷移性擴(kuò)散→擴(kuò)散蠕變。圖8-5擴(kuò)散蠕變模型18/37

(3)擴(kuò)散蠕變的協(xié)調(diào)機(jī)制-晶界滑動(dòng)多晶體材料中原子受壓的晶界向受拉晶界擴(kuò)散，結(jié)果使每一個(gè)晶粒都獨(dú)立發(fā)生變形，向拉應(yīng)力方向伸長。這種晶粒形狀的變化必須通過晶界滑動(dòng)來協(xié)調(diào)，否則就會(huì)在受壓晶界形成空隙。圖8-6晶界滑動(dòng)19/37圖8-7晶界滑動(dòng)的協(xié)調(diào)機(jī)制20/37

晶界滑動(dòng)使晶粒2的上半部分向左移動(dòng)而下半部分向右移動(dòng)。在1/2晶界上物質(zhì)堆積而2/3晶界上產(chǎn)生空隙。必須通過晶粒2中心附近的滑移造成塑性流動(dòng)來消除，即通過晶內(nèi)塑性變形來協(xié)調(diào)晶界滑動(dòng)。21/37

(4)高溫塑性變形機(jī)制圖單晶體的高溫蠕變機(jī)制主要包括位錯(cuò)滑移、攀移和擴(kuò)散蠕變。在高溫下，由位錯(cuò)和空位控制的蠕變機(jī)制，由于應(yīng)變速率、應(yīng)力和溫度的不同，又存在不同的形式。包括熱激活滑移機(jī)制、位錯(cuò)芯區(qū)擴(kuò)散控制的低溫位錯(cuò)攀移蠕變、晶格點(diǎn)陣擴(kuò)散控制的高溫位錯(cuò)攀移蠕變、晶格擴(kuò)散控制的N-H蠕變和晶界擴(kuò)散控制的Coble蠕變。22/37

對于給定的材料，在一定溫度/應(yīng)力下某一變形機(jī)制占優(yōu)勢，當(dāng)溫度/應(yīng)力條件改變時(shí)變形機(jī)制也可能發(fā)生變化。換句話說，在一定溫度/應(yīng)力下可能有多種變形機(jī)制起作用，如位錯(cuò)攀移蠕變和空位擴(kuò)散蠕變同時(shí)發(fā)生，但溫度高、應(yīng)力低時(shí)擴(kuò)散蠕變所產(chǎn)生的應(yīng)變量比攀移蠕變產(chǎn)生的應(yīng)變量大，此時(shí)“占優(yōu)勢”的機(jī)制是擴(kuò)散蠕變。材料的變形機(jī)制圖就是該材料在給定的溫度/應(yīng)力下占優(yōu)勢的變形機(jī)制及變形速率的圖示。23/37圖8-8純鎳的應(yīng)力-溫度變形機(jī)制圖24/372、蠕變斷裂機(jī)制主要是由于晶界滑動(dòng)在晶界上形成裂紋并逐漸擴(kuò)展而引起的，宏觀上為典型的脆性破壞。(1)機(jī)制一：在三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋高應(yīng)力，較低溫度下，晶界滑動(dòng)在三晶粒交匯處受阻→應(yīng)力集中→形成空洞→相互連接形成楔形裂紋→長大→引起斷裂(晶界)。25/37圖8-9三岔晶界處形成楔形裂紋

(2)機(jī)制二：在晶界上由空洞形成晶界裂紋較低應(yīng)力，較高溫度下，當(dāng)晶界受垂直拉應(yīng)力作用時(shí)，周圍晶界或晶粒內(nèi)部的空穴聚集于此晶界，形成空洞核心→空洞超過臨界尺寸(r)而穩(wěn)定存在→長大→引起斷裂。26/37圖8-10晶界滑移形成空洞示意圖27/37一、蠕變極限

蠕變極限：是金屬材料在高溫長期載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)。

蠕變極限的表示方法之一：在給定的溫度下，使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力?！?.3金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素600℃1×10-5%/h28/37

蠕變極限的表示方法二：在給定溫度t和規(guī)定時(shí)間τ(小時(shí))內(nèi)，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變變形量δ的最大應(yīng)力。500℃100000h總伸長量為1%29/37二、持久強(qiáng)度極限

蠕變極限：高溫長期載荷下對塑性變形的抗力(考慮了變形量)。

持久強(qiáng)度極限：高溫長期載荷下對斷裂的抗力(不考慮變形量)，指的是在給定溫度t下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間τ而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，以MPa表示。30/3731/37三、剩余應(yīng)力1、應(yīng)力松弛定義具有恒定總變形的試件中，隨著時(shí)間的延長自行減低應(yīng)力的現(xiàn)象，稱為應(yīng)力松弛；材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性。圖8-11金屬應(yīng)力松弛曲線松弛應(yīng)力剩余應(yīng)力32/37

(1)剩余應(yīng)力σsh是評定金屬材料松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。剩余應(yīng)力愈高，松弛穩(wěn)定性愈好。(2)松弛穩(wěn)定性可用以評價(jià)材料在高溫下的預(yù)緊能力。33/372、蠕變與松弛過程比較

蠕變：應(yīng)力保持不變，塑性變形和總變形隨時(shí)間延長而增大。

松弛：總應(yīng)變量保持不變，隨時(shí)間延長，塑性變形不斷取代彈性變形，使彈性應(yīng)力不斷降低。蠕變和松弛在本質(zhì)上并無區(qū)別，松弛現(xiàn)象可看成是一種在應(yīng)力不斷減少條件下的蠕變過程；通常蠕變抗力高的材料，應(yīng)力松弛抗力一般也高。34/37四、影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素1、合金化學(xué)成分的影響(1)熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散激活能大，層錯(cuò)能低的金屬或合金，蠕變極限↑。(2)加入Cr，Mo，W，Nb，使固溶強(qiáng)化，↓層錯(cuò)能，↑擴(kuò)散激活能，↑蠕變極限。

(3)加入合金元素，生成彌散相，阻礙滑移和攀移，↑高溫強(qiáng)度。35/37

(4)加入B，Re等，↑晶界擴(kuò)散激活能，阻礙晶界滑動(dòng)，↑晶界裂紋表面能，↑高溫強(qiáng)度。2、冶煉工藝的影響(1)↓雜質(zhì)元素和氣體含