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第八章 金属高温力学性能 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。这是因为温度对金属材料的力学性能影响很大。 一般随温度升高，金属材料的强度降低而塑性增加。 如果不考虑环境介质的影响，则可认为材料的常温静载力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。 ①在高温高压条件下工作的金属机件，虽然所承受的应力小于工作温度下的屈服强度，但在长期使用过程中，会产生缓慢而连续的塑性变形，可能最终导致断裂-蠕变。 ②高温下钢的抗拉强度随载荷持续时间的延长而降低。 ③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。 ④温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路径。 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， （见右图）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。 综上所述，金属材料在高温下的力学性能，不能简单地用常温短时拉伸的应力－应变曲线来评定，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。 必须指出的是，这里所指温度的高低是相对于该金属的熔点而言的。故采用“约比温度”（t/tm，t为试验温度，tm为金属熔点，均为绝对温度）当t/tm 0.5时，为“高温”；反之则为“低”温。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，因而力学性能变化规律也是相同的。 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。因这种变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。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。 二、金属的蠕变过程 金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线如下图所示。 d 应变 c b a 第二阶段 第三阶段 时间 第一阶段ab是减速蠕变阶段（又称过渡蠕变阶段）。这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长，蠕变速率逐渐减小，到b点蠕变速率达到最小值。 第二阶段bc是稳态蠕变阶段。这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变，因而又称为恒速蠕变阶段。一般所指的蠕变速率就是这一阶段的变形速率，用ε.表示。 第三阶段cd阶段是加速蠕变阶段。随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，至d点产生蠕变断裂。 不同材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的，同一种材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而异。在恒定温度下改变应力，或在恒定应力下改变温度，蠕变曲线的变化如图8-3所示。由图可见，当应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，甚至可能不产生第三阶段，相反，当应力较大或温度较高时，蠕变第二阶段很短，甚至完全消失，试样将在很短时间内断裂。 由于金属在长时高温应力作用下会产生蠕变，因此，对于在高温下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，如高温管道法兰接头的紧固螺栓、用压紧配合固定于轴上的气轮机叶轮等，就可能随时间的延长，在总变形量不变的情况下，弹性变形不断地转变为塑性变形，从而使工作应力逐渐降低，以致失效。这种在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的应力随时间增加而减小的现象称为应力松弛。可以将应力松弛现象看成是应力不断降低条件下的蠕变过程。因此，蠕变与应力松弛既有区别又有联系。 蠕变变形与断裂机理 一、蠕变变形机理 1、位错滑移蠕变 2、扩散蠕变 3、晶界滑动蠕变 二、蠕变断裂机理 在三晶粒交会处形成的楔形裂纹 在晶界上由空洞形成的晶界裂纹 三、断口特征： 宏观特征：断口附近有很多裂纹，表面出现龟裂；断口表面有氧化膜。 微观特征：冰糖状花样的沿晶断裂。 第三节 金属高温力学性能指标及其影响因素 为保证金属机件在高温下长时承受载荷而不致产生过量变形或断裂，需要制定变形抗力与断裂抗力指标。 一、蠕变极限 定义：金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。 表示：蠕变极限一般有两种表示方法