金属高温力学性能.ppt
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1、1,第八章 金属高温力学性能 在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机等设备中,很多机件长期在高温下服役。对于这类机件的材料,只考虑常温短时静载时的力学性能是不够的。如化工设备中高温高压管道,虽然承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度,但在长期使用过程中会产生连续的塑性变形,即蠕变现象,使管径逐步增大,甚至会导致管道破裂。,2,对长期在高温条件下工作的金属机件,如果仅考虑常温短时静载下的力学性能显然是不够的。因为温度和作用时间对金属材料的力学性能影响很大。1、温度的影响:一般随温度升高,金属材料的强度降低而塑性增加。2、载荷持续时间的影响:如果不考虑环境介质的影响,则可认为材料的常温静载力
2、学性能与载荷持续时间关系不大。但在高温下,载荷持续时间对力学性能有很大影响。,3,s,长期使用过程中,会产生蠕变,可能最终导致断裂。随载荷持续时间的延长,高温下钢的Rm降低。在高温短时拉伸时,材料的塑性增加;但在长时载荷作用下,金属材料的塑性却显著降低,缺口敏感性增加,往往呈现脆性断裂。温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路径。,4,3、等强温度 随试验温度的升高,金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂过渡到沿晶断裂。原因:温度升高时,晶粒强度和晶界强度都降低,(如图所示)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。等强温度 晶粒与晶界两者强度相等的温度。用TE表示。等强
3、温度随变形速率的增加而升高。这是由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶粒大得多。,5,金属材料在高温下的力学性能,还必须加入温度和时间两个因素,研究温度、应力、应变与时间的关系,才能建立评定金属材料高温力学性能指标。4、约比温度 定义:试验温度t与金属熔点tm的比值(t/tm)。t,tm均为绝对温度。衡量:当t/tm 0.5时,为“高温”;反之则为“低温”。意义:对于不同的金属材料,在同样的约比温度下,其蠕变行为相似,其力学性能变化规律也是相同的。,6,81 金属的蠕变现象 一、蠕变的定义 金属在长时间恒温、恒载荷(即使应力小于该温度下的屈服强度)作用下缓慢地产生塑性变形的现象。由蠕变变形导致的
4、材料的断裂,称为称为蠕变断裂。蠕变在低温下也会产生,但只有当约比温度大于0.3时才比较显著。如碳钢超过300、合金钢超过400时就必须考虑蠕变的影响。,7,二、金属的蠕变过程 金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述,典型的蠕变曲线如图所示。按蠕变速率的变化,曲线可以分为三个阶段:第一阶段:ab 减速蠕变阶段,又称过渡蠕变阶段。开始大,逐渐减速;第二阶段:bc 恒速蠕变阶段,又称稳态蠕变阶段。速率几乎保持不变;第三阶段:cd 加速蠕变阶段,逐渐增大,最后产生断裂。,8,同一材料的蠕变曲线随着温度高低及应力的大小而有不同。如图所示 应力较小、温度较低时:蠕变的恒速蠕变阶段持续时间长,甚至不出现加速蠕变阶
5、段;应力较大、温度较高时:蠕变恒速蠕变阶段持续时间短,甚至消失,试样在短时间内断裂,主要为加速蠕变。,9,应力松弛 由于金属在长时高温载荷下会产生蠕变现象,对于在高温下工作、依靠原始弹性变形获得工作应力的机件,如高温管道内用的螺栓等,随时间的延长,在总变形量不变的前提下,弹性变形变为塑性变形,从而使工作应力降低,导致失效。在温度及初始应力一定时,材料中的应力随着时间的增加而减小的现象称为应力松弛。可以看成应力不断降低条件下的蠕变过程。注意:应力松弛与蠕变的区别,10,8-2 蠕变变形与蠕变断裂机理 一、蠕变变形机理 金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散等机理进行,与温度及应力的变化有关。(
6、一)位错滑移蠕变 常温下,如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积,滑移就不能进行,只有在更大的切应力作用下位移重新运动和增殖。高温下,位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散克服某些短程障碍,有利于加强位错的运动(滑移、攀移、交滑移等),克服短程障碍。从而产生塑性变形。,11,高温下的热激活过程主要是刃型位错的攀移,模型。如图所示 当塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移面上运动,或与异号位错相遇对消、或形成亚晶界、或被晶界吸收。当塞积群中某一位错被激活发生攀移时,位错源便可能再次放出一个位错,从而形成动态回复过程,蠕变得以不断发展。,12,在蠕变第一阶段:由于蠕变变形逐步产生应变硬化,使
7、位错源移动的阻力及位错滑移的阻力逐渐增大,使得蠕变速率不断降低。也称为“减速蠕变阶段”。蠕变第一阶段是很短的,不超过几百小时。一般在高温下工作的机件所要求的寿命都设定在蠕变第二阶段。在蠕变第二阶段:动态回复(软化),硬化与软化达到平衡,蠕变速率为一常数。,13,(二)扩散蠕变 这是在较高温度下的一种蠕变变形机理,约比温度t/tm0.5。高温和应力的作用下,空位、原子的定向扩散(不均匀应力场)。材料产生蠕变。承受拉应力(A、B晶界)的晶界,空位浓度减小;承受压应力(C、D晶界)的晶界,空位浓度增加。如图所示 这种晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移,原子朝相反方向运动,使得晶体伸长的蠕变,称为扩散
8、蠕变。,14,(三)晶界滑动 高温和应力的作用下,因晶界上的原子容易扩散,受力后晶界易产生滑动(即晶粒发生转动),也促进蠕变进行。晶界滑动对蠕变的贡献较小,一般在10左右;此机理不是独立的机理,因晶界滑动要与晶内滑移变形相配合,否则不能维持晶界的连续性,导致晶界产生裂纹。晶粒减小,晶界滑动对蠕变的作用越大。,15,二、蠕变断裂机理 实验表明,不同温度及应力条件下,晶界裂纹的形成方式有两种:1、在三晶粒交会处形成楔形裂纹 这是在高应力和低温下,由于晶界滑动在三晶粒交会处受阻,造成应力集中形成空洞,空洞互相连接形成楔形裂纹。如图所示,16,2、在晶界上由空洞形成晶界裂纹 这是较低应力和较高温度下产
9、生的裂纹。这种裂纹出现在晶界上突起的部位和细小的第二相质点附近,由于晶界滑动产生空洞,这些空洞长大并连接,就形成裂纹。如图所示 由于蠕变断裂主要在晶界上产生,所以晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。,17,三、断口特征 1、宏观特征(1)断口附近产生塑性变形,在变形区附近有很多裂纹(断裂机件表面出现龟裂现象);(2)由于高温氧化,断口表面被一层氧化膜所覆盖。2、微观特征 冰糖状花样的沿晶断裂。,18,8-3 高温力学性能指标及其影响因素 一、蠕变极限 为了保证高温长时载荷作用下的机件不会产生过量蠕变,要求金属材料具有一定的蠕变极限。1、定义
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