第八章金属高温力学性能详解.pptVIP

* * 四、影响金属高温力学性能的主要因素 根据蠕变变形与断裂机理可知，要提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速率，要提高持久强度极限，必须控制晶界的滑动。 也就是说要提高金属材料的高温力学性能，就应控制晶内及晶界的原子扩散过程。 （一）合金化学成分的影响 （二）冶炼工艺的影响 （三）热处理工艺的影响 * * （一）合金化学成分的影响 位错越过障碍所需的蠕变激活能越高的金属，越难产生蠕变变形。 实验表明纯金属的蠕变激活能大约与其扩散激活能接近，所以耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。 * * (1) 在基体金属中加入铬、钼、钨、铌等合金元素形成单相固溶体，除产生固溶强化外，还因为合金元素使层错能降低，易形成扩展位错，且溶质原子与溶剂原子的结合力较强，增大了扩散激活能，从而提高了蠕变极限。 (2) 加入能形成弥散相的合金元素，由于弥散相能强烈阻碍位错的滑移，所以是提高高温强度的有效方法。弥散相粒子硬度越高，弥散度越大，稳定性越高，则强化作用越好。 (3) 在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素，如硼、稀土等，则既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹面的表面能，对提高蠕变极限和持久强度极限有效。 * * （二）冶炼工艺的影响 各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，由于钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度极限降低。 高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格，即使含量只有十万分之一，当其在晶界偏聚后，会导致晶界的严重弱化，使热弹性降低。 （三）热处理工艺的影响 珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺，正火温度较高，以促使C化物充分溶于奥氏体中，回火温度高于使用温度100-150℃，以提高使用温度下的组织稳定性。 采用形变热处理改变晶界的形状，形成锯齿状，并在晶内形成多边化的亚晶界，则可使合金进一步强化。 * * （四）晶粒度的影响 使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度， 使用温度高于等强温度时，粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持久强度极限，但晶粒太大会降低高温下的塑性与韧性。 晶粒度不均匀，会显著降低其高温性能，这是由于在大小晶粒交界处易产生应力集中形成裂纹。 * * 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。 温度、在高温下载荷持续的时间对材料的力学性能影响很大。 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，如果选材、使用不当，会导致管道破裂。 * * 高温下钢的抗拉强度随着载荷作用的时间增加而降低。 在高温短时载荷作用下，金属材料塑性增加。 在高温长时载荷作用下，金属材料塑性降低，缺口敏感性增加，呈现脆性断裂。 温度、时间的联合作用会影响材料的断裂路径，见图8-1。 * * * * 温度的“高”或“低”是相对该金属的熔点来讲的，一般采用“约比温度（T/Tm）”更为合理。 本章主要介绍材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象，讨论蠕变变形和断裂机理、高温力学性能指标与影响因素。 * * 第一节 金属的蠕变现象 蠕变：是高温金属力学行为的一个重要特点 定义：材料在短时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。 由于这种高温蠕变变形导致的断裂，称为蠕变断裂。 * * * * 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 第二阶段：bc 恒速蠕变阶段，又称稳态蠕变阶段 第三阶段：cd 加速蠕变阶段 * * 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，见下图： 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。 * * 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， 就可以随着时间的延长，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，以致失效。 这种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。 这种现象可看作应力不断降低条件下的蠕变过程。 * * 第二节 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。 （一）位错滑移蠕变 （二）扩散蠕变 * * （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