工程材料力学性能第2版 教学课件 束德林 08第八章.pdf

第八章 金属高温力学性能 金属高温力学性能 ※ 概述 ※ 第一节 金属的蠕变现象 ※ 第二节 蠕变变形与蠕变断裂机理 ※ 第三节 金属高温力学性能指标及其影响 因素 概 述 概 述 在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、航空发 动机以及化工炼油设备中，很多机件长期在高温条件下服役。 对于制造这类机件的金属材料，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，温度对金属材料的力学 性能影响很大；在高温下载荷持续时间对力学性能也有很大 影响。 高温下钢的抗拉强度也随载荷持续时间的增长而降低。 试验表明，20钢在450℃时的短时抗拉强度320MPa，当试样 承受225MPa的应力时，持续300h便断裂了；如将应力降至 115MPa左右，持续10000h也能使试样断裂。在高温短时载荷 作用下，金属材料的塑性增加，但在高温长时载荷作用下， 塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂现象。 此外，温度和时间的联合作用还影响金属材料的断裂路径。 图8 －1a表示试 验温度对长时载荷作 用下金属断裂路径的 影响。随着试验温度 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。 这是因为温度升高时 晶粒强度和晶界强度 都要降低，但晶界强 度下降较快所致。晶 粒与晶界两者强度相 图8—1 温度和变形速率对金属断 等的温度称为“ 等强 裂路径的影响 a)等强温度了‘ 温度”，用T 表示。 E 由 于 晶界强度 对变形速 率的敏感 性要比晶 粒的大得 多，因此 等强温度 随变形速 率增加而 升高，如 图8 －1b所 示。 图8— 1 温度和变形速率对金属断 裂路径的影响 b)变形速率对T 的影响 E 综上所述，金属材料在高温下的力学性能，不能只 简单地用常温下短时拉伸的应力－应变曲线来评定，还 必须考虑温度与时间两个因素。必须指出，这里所指的 温度“高”或“低”是相对于该金属熔点而言的，故采 用“约比温度(T／T )”更为合理(T为试验温度， T 为 E E 金属熔点，都用热力学温度表示)。当T／T 0.5时为 E “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 的变化规律也是相同的。 本章将阐述金属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的机理，介绍高温力学性能 指标及影响因素，为正确选用高温金属材料和合理 制定其热处理工艺提供基础知识。 第一节 金属的蠕变现象 第一节 金属的蠕变现象 高温下金属力学行为的一个重要特点就是产生 蠕变。所谓蠕变，就是金属在长时间的恒温、恒载 荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。由于这种变 形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。蠕变 在较低温度下也会产生，但只有当约比温度大于 0.3 时才比较显著。如碳钢温度超过3000 ℃、合金 钢温度超过4000 ℃时，就必须考虑蠕变的影响。 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8—2所示。 图8—2 图8—2 典型蠕变曲线 图中Oa线段是试样在t温度下承受恒定拉应力 σ 时所产生的起始伸长率 δ .如果应力超过金属在该温