材料的高温力学性能
石油化工－－合成氨，炼油，乙烯
2020/5/4
化工设备的一些高温高压管 道，虽然所承受的应力小于 该工作温度下材料的屈服强 度但在长期的使用过程中会 产生缓慢而连续的塑性变形 (蠕变)，使管径逐渐增大， 最后导致管道破裂。
燃气涡轮发动机
涡轮盘及叶片
2020/5/4
高温下钢的抗拉强度随载荷 持续时间的增长而降低。试验表 明，20＃钢450℃时短时抗拉强度 为320MPa，当试样承受225MPa 的应力时，持续300小时断裂；如 将应力降低到115MPa，持续1000 0小时也会断裂。在高温短时载荷 作用下，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，呈现 脆性断裂现象。此外，温度和时 间的联合作用还影响材料的断裂 路径。
空洞、微裂纹的形核，长大
δ0
伸长率δ
温度t＝常数 应力σ＝常数
d c
b
Ⅱ aⅠ
O
Ⅲ
时间τ
图7－1 典型的蠕变曲线
2020/5/4
• 蠕变变形是通过位错滑移、位错攀移等方 式实现的。
• 在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产 生塞积现象，滑移便不能进行。
• 在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可 能使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成 小角度亚晶界（此即高温回复阶段的多边 化），从而导致金属材料的软化，使滑移 继续进行。
2020/5/4
• （3） 晶界的滑动蠕变机理：晶界的滑动是由 晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起的， 后者起主要的作用。金属、陶瓷材料。在常温 下晶界的滑动变形是极不明显的，可以忽略不 计。但在高温条件下，由于晶界上的原子容易 扩散，受力后易产生滑动，促进了蠕变的进行。 随温度升高，应力降低，晶粒度减小，晶界滑 动对蠕变的作用越来越大。但总的来说，它在 总蠕变量中所占的比例并不大，约10％。
的移动没有方向性，因而宏观上不显
示塑性变形。但当金属两端有拉应力
作用时，在多晶体内会产生不均匀的 图7－4 应力场，如图7－4所示。
承受拉应力的晶界(如A、B晶界)空位浓度增加；承受压应力 的晶界(如C、D晶界)空位浓度减少，因而在晶体内空位将
从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方向流动，致使
晶体逐渐产生蠕变伸长，称为扩散蠕变。
0
时间的延长，弹性应力逐渐降低的
σso
现象叫应力松弛，材料抵抗应力松 弛的能力叫松弛稳定性。
测定方法：恒定温度下，保持
初始变形量恒定，测定试样的应力
σsh
随时间而下降的曲线。
时间
松弛应力，σs0＝ σ0－ σsh ， σsh剩余应力，越高松弛稳定性越
图7－14 应力松弛曲线
高。
2020/5/4
图7－15
时间τ
图7－2 应力和温度对 蠕变曲线的影响
二、蠕变变形及断裂机理
1．蠕变变形 （1） 位错滑移蠕变机理：
在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散 来克服某些短程障碍，从而使变形不断地产生。位错热激 活的方式有多种，比如螺位错的交滑移、刃位错的攀移、 带割阶位错的攀移、带割阶位错的运动等。高温下的热激 活过程主要是刃位错的攀移。
2020/5/4
• 蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方 式产生变形。位错刚开始运动时，障碍 较少，蠕变速度较快。随后位错逐渐塞 积、位错密度逐渐增大，晶格畸变不断 增加，造成形变强化。在高温下，位错 虽可通过攀移形成亚晶而产生回复软化， 但在蠕变初期由于晶格畸变能较小，所 以回复软化过程不太明显
2020/5/4
2020/5/4
(4)冶炼工艺的影响：各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺 的要求都很高，因为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和 气体含量的要求更加严格。一些杂质如硫、磷、铅、 锡、砷等，即使其含量只有十万分之几，当其在晶界 偏聚后，会导致晶界严重弱化，使热强性急剧降低。 例如，某些镍基合金的实验结果表明：经过真空冶炼 后，其铅含量由百万分之五降低到百万分之二以下， 其持久寿命提高了一倍。
• 表示某材料在600℃下工作1 000h的持久强度为 200MPa
• 断裂时间经验公式：
•测定方法：测定一组试样在不同应力下的断裂时间， 对试验数据拟合后，求出常数A’和m后，可以外推 出材料长时间的持久强度。
2020/5/4
图7－12
2020/5/4
图7－13
应力lg
3． 松弛稳定性
材料在恒变形的条件下，随着
2020/5/4
图7－9
• 宏观特征：断口处有塑性变形、有裂纹、 表面有龟裂现象、有高温氧化现象。
• 微观特征：冰糖状花样的沿晶断裂。 • 高应力高应变速率和低温时金属材料产
生解理断裂和晶间断裂，不属于蠕变断 裂，低应力高温时有较大断裂应变，属 于蠕变断裂。
2020/5/4
• 三、 蠕变性能指标
强度
晶界 晶粒
TE 温度
等强温度
TE并不是不变化的，比如 变形速率对TE就有较大影 响，如右图所示。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TE随变形速率的增加而 升高。
2020/5/4
强度
晶界 晶粒
低变形速率 高变形速率
TE1 TE2
温度
温度和变形速率对金属断裂路 径的影响
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，还必须考虑温度和时间两个因素。 这里所指的温度“高”或“低”是相对于该金 属的熔点而言的，故采用“约比温度”来说明。 若实验温度为T，金属的熔点为Tm，当T/Tm>0.5 时为高温，反之为低温。不同的金属材料在同 样的约比温度下其蠕变行为相似，力学性能的 变化规律也相同。
❖ 蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方式交 替进行，晶界变形以滑动和迁移方式交替进行。晶 内滑移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界 迁移则使金属软化。由于强化和软化的交替作用， 当达到平衡时，就使蠕变速度保持恒定。
❖ 蠕变发展到第三阶段，由于裂纹迅速扩展，蠕变速 度加快。当裂纹达到临界尺寸便产生蠕变断裂。
晶界上存在第二相质点
图7-8 晶界滑动形成空洞示意图
• （2） 空位聚集模型：
• 这种裂纹成核的过程为：首先由于晶界滑动在晶界的台阶 （如经二相质点或滑移带的交截）处受阻而形成空洞。然后 由于位错运动产生的大量空位，为了减少其表面能而向拉伸 应力作用的晶界上迁移。
• 当晶界上有空洞时，空洞便吸收空位而长大，形成裂纹。
2020/5/4
• 瞬时蠕变＋减速蠕变 ＋恒速蠕变＋加速蠕 变
• 应力和温度对蠕变曲 线影响：
• （a）等温曲线（σ4＞ σ3＞σ2＞σ1）
• （b）等应力曲线（T4
＞T3＞T2＞T1）
2020/5/4
伸长率δ
伸长率δ
σ4
σ3
σ2 σ1
应力σ4>σ3 >σ2>σ1
时间τ
t4 t3 t2 t1
温度t4>t3 >t2>t1
右图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 由常温下的穿晶断裂过渡到沿晶 断裂，这是由于温度升高时晶界 和晶粒的强度都要降低，但晶界 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，两者强度相等时的温度 TE称为等强温度。
2020/5/4
• 再绘制蠕变速率与外加应力之间曲线，结果同一温度下， 蠕变速率与外加应力之间存在下列经验公式，
• 利用线性回归法求出A和n值后，再用内插和外推法，即可 求出规定蠕变速率下的外加应力，即蠕变极限。
2020/5/4
图7－11
• 2．持久强度 • 持久强度是指材料在一定温度下和规定的时间内，
不发生蠕变断裂的最大应力
2020/5/4
• 2． 外部因素 • （1） 应力：高应力下蠕变速率高，
位错运动机理起控制作用；低应力下扩 散蠕变机理起控制作用。
• （2） 温度：温度升高，蠕变速率提 高。蠕变激活能和扩散激活能的相对关 系影响着蠕变机制，两者是温度的减值 函数。
2020/5/4
第ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ节 其他高温力学性能
•
• 一、 高温短时拉伸性能 • 高温短时拉伸试验主要测定材料在高
2020/5/4
• （2）组织结构
• 均匀分布的强化相有利于提高持久强度，回火温 度应高于使用温度100－150℃，珠光体耐热钢采用 正火＋高温回火，奥氏体耐热钢采用固溶处理＋时 效处理。
• 由于高温合金在使用中，通常在垂直于应力方向的 横向晶界上产生裂纹，因此采用定向凝固工艺，使 柱状晶沿受力方向生长，减少横向晶界，可以大大 提高持久寿命。比如有一种镍基合金采用定向凝固 工艺后，在760℃、645MPa应力作用下的断裂寿命 可提高4～5倍。
2020/5/4
层错能越低的金属愈易产生扩展位错，使位错难以产生 割阶、交滑移和攀移，从而降低蠕变速率，提高蠕变 性能，面心立方金属高温强度高于体心立方金属 。 由于弥散相能强烈阻碍位错的滑移，是提高高温强度的 更有效的方法。 在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素(如硼、稀 土等)既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹形成的表面 能，对提高蠕变极限，特别是持久强度极限非常有效。
2020/5/4
表示材料在500℃，10000h产生1％的蠕变 应变的蠕变极限为100MPa。
具体选用哪种表示法应视蠕变速率和服役时间而定。
若蠕变速率大而服役时间短，可取tέ表示法；若蠕变
速率小而服役时间长，可用tδ/ τ表示法。
2020/5/4
2020/5/4
图7－10
• 测定方法：在同一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出 不少于4条的蠕变曲线，求出蠕变曲线第二阶段直线部分的 斜率，即稳态蠕变速率