金属高温力学性能教学课件PPT材料力学性能.ppt

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1、第八章 金属高温力学性能,2,一、举例：20钢在不同温度下的力学性能,淬火低温回火后抗拉强度1530MPa；450时测量的抗拉强度是320MPa；在225MPa载荷作用300后小时断裂；在115Mpa载荷作用10000小时断裂；,总结：1、温度对材料的学性能有影响；2、载荷持续时间对材料性能也有影响；,温度时间载荷决定材料高温行为。,3,高温对金属力学性能的影响有以下几个方面：（1）在低应力条件下使用，金属材料将产生缓慢而连续的塑性变形，即蠕变现象；（2）高温短时载荷作用下，金属塑性增加。长时载荷作用下，由于产生永久性塑性变形（蠕变变形），塑性将显著降低，往往呈脆性断裂；（3）高温下金属断裂方

2、式由常温的穿晶断裂逐渐过渡到沿晶断裂，临界温度称为“等强温度”。,4,温度和时间对断裂形式的影响 温度升高时，晶粒强度和晶界强度都要降低，但由于晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此，晶界强度下降较快。晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”TE。材料的TE不是固定不变的，变形速率对它有较大影响。因晶界强度对形变速率敏感性要比晶粒大得多，因此TE随变形速度的增加而升高。,5,6,二、材料在高温长时载荷作用下的力学行为,1、产生缓慢而连续的的塑性变形蠕变变形；2、塑性，缺口敏感性，一般脆性断裂；,7,金属及陶瓷的蠕变现象,8,在讨论金属高温力学性能时，通常使用试验温度T与金属熔点T

3、m的比值T/Tm（称“约比温度”），T/Tm 0.5 时为高温，T/Tm 0.5 时为低温。金属的再结晶温度在0.4 0.5 Tm，也就是说使用温度超过再结晶温度即可认为高温。,9,81 金属的蠕变,一、蠕变现象：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓 慢产生的塑性变形。,2、产生条件：约比温度T/Tm 0.3。,热力学温度,T 试验温度,Tm熔点温度,1、蠕变曲线：减速蠕变稳态蠕变加速蠕变,10,11,水平提高：蠕变各阶段的本质。,蠕变将产生应变硬化，使位错开动的阻力逐渐增大，因此第一阶段蠕变速率逐渐降低。应变硬化发展到一定程度，在温度作用下将发生回复现象，使金属不断软化。,最终，当应变硬化和动

4、态回复平衡时，蠕变速率为一常数，蠕变进入恒速蠕变阶段。,12,3、应力松弛,材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。,应力松弛现象,提示：剩余应力值高，说明材料有较好的 松弛稳定性。,13,应力和温度对蠕变曲线的影响,等温曲线（4 3 2 1）,等应力曲线（T4 T3 T2 T1）,14,二、蠕变变形机理,1、位错滑动 位错激活方式：刃型位错攀移、螺型交滑移、位错环分解合并等。,攀移过程示意图,15,位错滑移蠕变机理:材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起的，在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就不能继续滑移，也就是只能产

5、生一定的塑性变形 在常温下，滑移面上位错运动受阻，产生塞积现象，滑移便不能进行。在高温下，温度的升高，给原子和空位提供了热激活 的可能，使得位错可以克服某些障碍得以 运动，继续产生塑性变形。,16,2、扩散蠕变（晶内）,CD处受压应力，空位浓度低。,AB处受拉应力，空位浓度高。,空位扩散,原子扩散,物质迁移的过程变形,晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩,17,3、晶界滑动,高温状态下晶界上原子容易扩散，受力后晶界易滑动，对蠕变产生贡献。晶界滑动蠕变占总蠕变量的比例为10左右；晶粒越小，滑动对蠕变的贡献越大。,总结：1、蠕变第一阶段和第三阶段变形以滑移为主；2、蠕变第二阶段除滑移外还有原

6、子扩散贡献；,18,三、蠕变断裂机理,1、晶界楔形裂纹模型蠕变温度下，恒载荷使位于最大切应力方向的晶界滑动，在三晶粒交界处形成应力集中。,应力集中若不能被晶粒的塑性变形或晶界的迁移所松弛，当其达到晶界的结合强度时，在三晶粒交界处发生开裂，形成楔形裂纹。,19,2、晶界空洞裂纹模型,晶界滑动与晶内滑移带交割形成空洞；晶界滑动与第二相质点作用形成空洞；,20,3、断口特征 蠕变断裂主要发生在晶界上，其断口宏观特征表现为：断口附近产生塑性变形，并有很多裂纹；断口表面有一层氧化膜。断口的微观特征主要表现为冰糖状断裂形貌。,21,82 金属高温力学性能,一、蠕变极限：1、含义：材料在高温恒载作用下对塑性

7、变形的抗力,2、表示方法,（1）规定温度下，使试样产生规定稳态蠕 变速率的最大应力。,（2）规定温度，规定时间，使试样产生规定总 伸长率的最大应力。,22,举例：蠕变极限举例,1、,2、,23,3、蠕变极限测定,（1）在同一温度下，不同应力水平下进行蠕变试验，获得不同应力条件下的稳态蠕变速度（）；,（2）在双对数坐标中绘制应力稳态蠕变速率曲线(曲线)；,（3）用图解外推法获得规定较小蠕变速率下的蠕变 极限；,24,25,26,二、持久强度极限,1、持久强度：材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力。2、表示方法：,举例：,27,3、持久强度的应用,某些在高温下工作的机件，不考

8、虑变形量的大小，只要求机件在使用期内不发生断裂。,28,4、持久强度测量：高温拉伸持久试验外推法,29,持久强度的测定 持久强度一般通过作持久试验测定，只要测定试样在给定温度和一定应力作用下的断裂时间。（1）对于设计寿命为数百至数千小时的机件，可以直接用同样时间的试验来确定。,30,持久强度的测定（2）对于设计寿命为数万以至数十万小时的机件，一般做出一些应力较大、断裂时间较短的试验数据，画在 lgt-lg坐标图上，联成直线，用外推法（时间不超过一个数量级）求出数万以至数十万小时的持久强度。由持久强度试验，测量试样在断裂后的伸长率及断面收缩率，还能反映出材料在高温下持久塑性。,31,三、剩余应力

9、 金属在长时间高温载荷作用下会产生蠕变，原来的弹性变形逐渐转变为塑性变形，使工作应力逐渐降低，这种现象称为应力松弛。工作应力在松弛过程中任一时间所保持的应力称为剩余应力，以r。初始工作应力与剩余应力之差称为松弛应力，以re表示。,32,四、提高蠕变极限和持久强度的主要途径1、增大位错移动和晶界滑移的阻力（1）在等强温度TE以下、应变速率较大时，金属蠕变变形以滑移为主，这时对金属对变形和强化因素的考虑与室温时相同。,33,四、提高蠕变极限和持久强度的主要途径1、增大位错移动和晶界滑移的阻力（2）在TE以上、应变速率较小时，金属蠕变变形以原子扩散为主。从扩散蠕变考虑，应该选择高熔点、具有密排结构的金属材料；从阻碍位错移动考虑，应选择层错能低、形成固溶体、含有弥散相的合金。,34,2、消除有害杂质元素 杂质元素，如S,P,Pb,Sb,Sn 等，在晶界上集聚后导致晶界强度降低，高温性能急剧下降。非金属夹杂物和冶金缺陷（气孔）也会严重降低材料的高温性能。如果冶炼时加入适量的B 和稀土元素，能够增加晶界扩散激活能，既可以阻碍晶界滑移，又可以增大形成晶界裂纹的表面能，因此可以提高高温性能。,35,3、定向凝固技术 由于与应力垂直的晶界上蠕变裂纹优先成核，近年来采用定向凝固技术获得粗大的柱状晶，使用使使受力方向平行于柱晶取向，可提高其高温性能。,