验点的数据低一个数量级；否则，外推值不可靠。
21
二、持久强度极限
1、定义
在规定温度（t）下，达到规定的持续时间
（τ）而不发生断裂的最大应力。用 2、选取 对于设计某些在高温运转过程中不考虑变形 量大小，而只考虑在承受给定应力下使用寿命的
t
表示。
机件，一般选取持久强度。
如锅炉的过热蒸气管，持久强度极限是很重
1
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
29
（三）热处理工艺的影响
不同钢种其热处理工艺不同。
例：珠光体耐热钢一般采用正火+高温回火工
艺，正火温度较高，以促使碳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。
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。
12
（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/tm>0.5。 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过不同的热
处理，在相同试验温度和初始应力下，经规定时间
后，剩余应力越高，松弛稳定性越好。
例如：20Cr1Mo1V1钢广泛应用于气轮机、燃 气轮机紧固件，经过不同的热处理工艺（正火、油 淬 ＋ 回 火 ） 后 的 应 力 松 弛 曲 线 （ 初 始 应 力 σ0 ＝ 300MPa）如图所示。可见，正火工艺的剩余应力 高，说明其具有较好的应力松弛稳定性。
试样产生的蠕变总伸长率（δ）不超过规定值的最
大应力。用符号
表示。 /
t
例如： 1500 5 100 MPa / 10 表示：材料在500℃温度下，10万小时，蠕变总伸 长率δ=1%的蠕变极限为100MPa。 3、选取
选用哪种表示方法，根据服役工况来确定。
若蠕变速率大而服役时间短，可取⑴表示方法。
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。
力较大、时间较短（数百小时）的试验数据，绘出
直线，通过外推法来求持久强度极限。如图所示
23
三、剩余应力 1、松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。 可通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。 2、金属的松弛曲线：在规定温度下，对试样施 加载荷，保持初始变形恒定，测定试样上的应力随 时间延长而降低的曲线。如图所示 3、剩余应力：应力松弛试验中任一时间试样上 所保持的应力，用σr（以前用σsh）。是评定金属材 料应力松弛稳定性的指标。 4、松弛应力：试样上所减少的应力，即初始应 力与剩余应力之差，用σre表示（以前用σso） 。
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。
31
§8-4
其他高温力学性能
一、高温短时拉伸性能 （火箭、导弹发射） 瞬时高温强度；热塑性；蠕变不起决定作用时。 二、高温硬度
后产生断裂。
7
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。
8
◆应力松弛
由于金属在长时高温载荷下会产生蠕变现象，
互相连接形成楔形裂纹。如图所示
15
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。
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。
可加入：熔点高的Me ，含有能形成弥散相的
Me、能增加晶界扩散激活能的Me（硼、稀土）。
详细如下
27
(1) 在基体中加入铬、钼、钨、铌等Me形成单
对力学性能有很大影响。
2
⑴σ< σs ，长期使用过程中，会产生蠕变 ，可
能最终导致断裂。
⑵随载荷持续时间的延长，高温下钢的Rm降低。
⑶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。
⑷温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路
径。
3
3、等强温度
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
9
§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。 （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。
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2、表达方式
(1) 在规定温度（t）下，使试样在规定时间内
产生的稳态蠕变速率 不超过规定值时的最大应力，
用

t 表示 。
例如：
110 60 MPa
600
5
表示：在600℃，稳态蠕变速率 =1×10-5%/时的

蠕变极限为60MPa。
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(2) 在规定温度（t）与试验时间（τ）内，使
10
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。
11
在蠕变第一阶段：由于蠕变变形逐步产生应变 硬化，使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
16
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。
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§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 是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力 指标。
反之，服役时间长，则取后一种表示方法。
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4、测试
蠕变试验装置，如图所示。
具体试验时，在同一温度下要用4个以上的不
同应力进行蠕变试验，到规定的时间（数百至数 千小时）后停止； 根据实验结果绘出应力-稳态蠕变速率或应力总伸长率关系曲线；如图所示
再用内插法或外推法求蠕变极限。
注意：用外推法时，蠕变速率只能比最低试
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。
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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
表面能，对提高蠕变极限和持久强度极限有效。
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（二）冶炼工艺的影响
冶炼时：尽量减少夹杂物和某些冶金缺陷。
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，