金属高温力学性能PPT课件.ppt
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1、1第八章第八章 金属高温力学性能金属高温力学性能 在在高高压压蒸蒸汽汽锅锅炉炉、汽汽轮轮机机、柴柴油油机机、航航空空发发动动机机等等设设备备中中,很很多多机机件件长长期期在在高高温温下下服服役役。对对于于这这类类机机件件的的材材料料,只只考考虑虑常常温温短短时时静静载载时时的的力力学学性能是不够的。性能是不够的。如如化化工工设设备备中中高高温温高高压压管管道道,虽虽然然承承受受的的应应力力小小于于该该工工作作温温度度下下材材料料的的屈屈服服强强度度,但但在在长长期期使使用用过过程程中中会会产产生生连连续续的的塑塑性性变变形形,即即蠕蠕变变现现象象,使管径逐步增大,使管径逐步增大,甚至会导致管道
2、破裂甚至会导致管道破裂。2 对对长长期期在在高高温温条条件件下下工工作作的的金金属属机机件件,如如果果仅仅考考虑虑常常温温短短时时静静载载下下的的力力学学性性能能显显然然是是不不够够的的。因因为为温度温度和和作用时间作用时间对金属材料的力学性能影响很大。对金属材料的力学性能影响很大。1、温温度度的的影影响响:一一般般随随温温度度升升高高,金金属属材材料料的强度降低而塑性增加的强度降低而塑性增加。2、载载荷荷持持续续时时间间的的影影响响:如如果果不不考考虑虑环环境境介介质质的的影影响响,则则可可认认为为材材料料的的常常温温静静载载力力学学性性能能与与载载荷荷持持续续时时间间关关系系不不大大。但但
3、在在高高温温下下,载载荷荷持持续续时时间间对力学性能有很大影响对力学性能有很大影响。3 0.50.5时时,为为“高高温温”;反反之之则则为为“低温低温”。意意义义:对对于于不不同同的的金金属属材材料料,在在同同样样的的约约比比温温度度下下,其其蠕蠕变变行行为为相相似似,其其力力学学性性能能变变化化规规律律也也是相同的是相同的。68 81 1 金属的蠕变现象金属的蠕变现象 一、蠕变的定义一、蠕变的定义 金金属属在在长长时时间间恒恒温温、恒恒载载荷荷(即即使使应应力力小小于于该该温温度度下下的的屈屈服服强强度度)作作用用下下缓缓慢慢地地产产生生塑塑性性变变形形的的现象现象。由由蠕蠕变变变变形形导导
4、致致的的材材料料的的断断裂裂,称称为为称称为为蠕蠕变变断裂断裂。蠕蠕变变在在低低温温下下也也会会产产生生,但但只只有有当当约约比比温温度度大大于于0.3时时才才比比较较显显著著。如如碳碳钢钢超超过过300、合合金金钢钢超超过过400时就必须考虑蠕变的影响。时就必须考虑蠕变的影响。7 二、金属的蠕变过程二、金属的蠕变过程 金金属属的的蠕蠕变变过过程程可可用用蠕蠕变变曲曲线线来来描描述述,典典型型的的蠕变曲线蠕变曲线如图所示如图所示。按按蠕变速率蠕变速率的变化,曲线可以分为三个阶段:的变化,曲线可以分为三个阶段:第第一一阶阶段段:ab 减减速速蠕蠕变变阶阶段段,又又称称过过渡渡蠕蠕变变阶段。开始大
5、,逐渐减速;阶段。开始大,逐渐减速;第第二二阶阶段段:bc 恒恒速速蠕蠕变变阶阶段段,又又称称稳稳态态蠕蠕变变阶段。速率几乎保持不变;阶段。速率几乎保持不变;第第三三阶阶段段:cd 加加速速蠕蠕变变阶阶段段,逐逐渐渐增增大大,最最后产生断裂。后产生断裂。8 同同一一材材料料的的蠕蠕变变曲曲线线随随着着温温度度高高低低及及应应力力的的大大小而有不同。小而有不同。如图所示如图所示 应应力力较较小小、温温度度较较低低时时:蠕蠕变变的的恒恒速速蠕蠕变变阶阶段段持续时间长,甚至不出现加速蠕变阶段;持续时间长,甚至不出现加速蠕变阶段;应应力力较较大大、温温度度较较高高时时:蠕蠕变变恒恒速速蠕蠕变变阶阶段段
6、持持续续时时间间短短,甚甚至至消消失失,试试样样在在短短时时间间内内断断裂裂,主主要为加速蠕变。要为加速蠕变。9 应力松弛应力松弛 由由于于金金属属在在长长时时高高温温载载荷荷下下会会产产生生蠕蠕变变现现象象,对对于于在在高高温温下下工工作作、依依靠靠原原始始弹弹性性变变形形获获得得工工作作应应力力的的机机件件,如如高高温温管管道道内内用用的的螺螺栓栓等等,随随时时间间的的延延长长,在在总总变变形形量量不不变变的的前前提提下下,弹弹性性变变形形变变为为塑塑性性变形,从而使工作应力降低,导致失效。变形,从而使工作应力降低,导致失效。在在温温度度及及初初始始应应力力一一定定时时,材材料料中中的的应
7、应力力随着时间的增加而减小的现象随着时间的增加而减小的现象称为称为应力松弛应力松弛。可以看成应力不断降低条件下的蠕变过程。可以看成应力不断降低条件下的蠕变过程。注意注意:应力松弛与蠕变的区别:应力松弛与蠕变的区别108-2 8-2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理 一、蠕变变形机理一、蠕变变形机理 金金属属的的蠕蠕变变变变形形主主要要通通过过位位错错滑滑移移、原原子子扩扩散散等机理进行,与温度及应力的变化有关。等机理进行,与温度及应力的变化有关。(一)位错滑移蠕变(一)位错滑移蠕变 常常温温下下,如如果果滑滑移移面面上上的的位位错错运运动动受受阻阻产产生生塞塞积积,滑滑移移就就不不
8、能能进进行行,只只有有在在更更大大的的切切应应力力作作用用下下位移重新运动和增殖。位移重新运动和增殖。高高温温下下,位位错错可可借借助助于于外外界界提提供供的的热热激激活活能能和和空空位位扩扩散散克克服服某某些些短短程程障障碍碍,有有利利于于加加强强位位错错的的运运动动(滑滑移移、攀攀移移、交交滑滑移移等等),克克服服短短程程障障碍碍。从从而产生塑性变形。而产生塑性变形。11 高高温温下下的的热热激激活活过过程程主主要要是是刃刃型型位位错错的的攀攀移移,模型。模型。如图所示如图所示 当当塞塞积积在在某某种种障障碍碍前前的的位位错错通通过过热热激激活活可可以以在在新新的的滑滑移移面面上上运运动动
9、,或或与与异异号号位位错错相相遇遇对对消消、或或形形成亚晶界、或被晶界吸收。成亚晶界、或被晶界吸收。当当塞塞积积群群中中某某一一位位错错被被激激活活发发生生攀攀移移时时,位位错错源源便便可可能能再再次次放放出出一一个个位位错错,从从而而形形成成动动态态回回复复过过程,蠕变得以不断发展。程,蠕变得以不断发展。12 在在蠕蠕变变第第一一阶阶段段:由由于于蠕蠕变变变变形形逐逐步步产产生生应应变变硬硬化化,使使位位错错源源移移动动的的阻阻力力及及位位错错滑滑移移的的阻阻力力逐逐渐渐增增大大,使使得得蠕蠕变变速速率率不不断断降降低低。也也称称为为“减减速速蠕蠕变变阶阶段段”。蠕蠕变变第第一一阶阶段段是是
10、很很短短的的,不不超超过过几几百百小小时时。一一般般在在高高温温下下工工作作的的机机件件所所要要求求的的寿寿命命都都设设定定在在蠕蠕变第二阶段。变第二阶段。在在蠕蠕变变第第二二阶阶段段:动动态态回回复复(软软化化),硬硬化化与与软化达到平衡,蠕变速率为一常数。软化达到平衡,蠕变速率为一常数。13 (二)扩散蠕变(二)扩散蠕变 这这是是在在较较高高温温度度下下的的一一种种蠕蠕变变变变形形机机理理,约约比比温度温度t/tm0.5。高高温温和和应应力力的的作作用用下下,空空位位、原原子子的的定定向向扩扩散散(不均匀应力场)。(不均匀应力场)。材料产生蠕变。材料产生蠕变。承承受受拉拉应应力力(A、B晶
11、晶界界)的的晶晶界界,空空位位浓浓度度减减小小;承承受受压压应应力力(C、D晶晶界界)的的晶晶界界,空空位位浓浓度度增增加。加。如图所示如图所示 这这种种晶晶体体内内空空位位从从受受拉拉晶晶界界向向受受压压晶晶界界迁迁移移,原原子子朝朝相相反反方方向向运运动动,使使得得晶晶体体伸伸长长的的蠕蠕变变,称称为为扩散蠕变。扩散蠕变。14 (三)晶界滑动(三)晶界滑动 高高温温和和应应力力的的作作用用下下,因因晶晶界界上上的的原原子子容容易易扩扩散散,受受力力后后晶晶界界易易产产生生滑滑动动(即即晶晶粒粒发发生生转转动动),也促进蠕变进行。,也促进蠕变进行。晶晶界界滑滑动动对对蠕蠕变变的的贡贡献献较较
12、小小,一一般般在在10左左右右;此此机机理理不不是是独独立立的的机机理理,因因晶晶界界滑滑动动要要与与晶晶内内滑滑移移变变形形相相配配合合,否否则则不不能能维维持持晶晶界界的的连连续续性性,导致晶界产生裂纹。导致晶界产生裂纹。晶粒减小,晶界滑动对蠕变的作用越大。晶粒减小,晶界滑动对蠕变的作用越大。15 二、蠕变断裂机理二、蠕变断裂机理 实实验验表表明明,不不同同温温度度及及应应力力条条件件下下,晶晶界界裂裂纹纹的形成方式有两种:的形成方式有两种:1、在三晶粒交会处形成楔形裂纹在三晶粒交会处形成楔形裂纹 这这是是在在高高应应力力和和低低温温下下,由由于于晶晶界界滑滑动动在在三三晶晶粒粒交交会会处
13、处受受阻阻,造造成成应应力力集集中中形形成成空空洞洞,空空洞洞互互相连接形成楔形裂纹。相连接形成楔形裂纹。如图所示如图所示16 2、在晶界上由空洞形成晶界裂纹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。这是较低应力和较高温度下产生的裂纹。这这种种裂裂纹纹出出现现在在晶晶界界上上突突起起的的部部位位和和细细小小的的第第二二相相质质点点附附近近,由由于于晶晶界界滑滑动动产产生生空空洞洞,这这些些空洞长大并连接,就形成裂纹。空洞长大并连接,就形成裂纹。如图所示如图所示 由由于于蠕蠕变变断断裂裂主主要要在在晶晶界界上上产产生生,所所以以晶晶界界的的形形态态、晶晶界界上上的的析析出出
14、物物和和杂杂质质偏偏聚聚、晶晶粒粒大大小小和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。17 三、断口特征三、断口特征 1 1、宏观特征宏观特征 (1)断断口口附附近近产产生生塑塑性性变变形形,在在变变形形区区附附近近有有很多很多裂纹裂纹(断裂机件表面出现(断裂机件表面出现龟裂龟裂现象);现象);(2)由由于于高高温温氧氧化化,断断口口表表面面被被一一层层氧氧化化膜膜所所覆盖。覆盖。2、微观特征微观特征 冰糖状花样的冰糖状花样的沿晶断裂沿晶断裂。188-3 8-3 高温力学性能指标及其影响因素高温力学性能指标及其影响因素 一、蠕变极限一、蠕变极限 为为
15、了了保保证证高高温温长长时时载载荷荷作作用用下下的的机机件件不不会会产产生生过量蠕变,要求金属材料具有一定的蠕变极限。过量蠕变,要求金属材料具有一定的蠕变极限。1、定义定义 是是材材料料在在高高温温长长时时载载荷荷作作用用下下的的塑塑性性变变形形抗抗力力指标指标。19 2、表达方式表达方式 (1)在在规规定定温温度度(t)下下,使使试试样样在在规规定定时时间间内内产产生生的的稳稳态态蠕蠕变变速速率率 不不超超过过规规定定值值时时的的最最大大应应力力,用用 表示表示。例如:例如:表表示示:在在600,稳稳态态蠕蠕变变速速率率 =110-5%/时时的的蠕变极限为蠕变极限为60MPa。20 (2)在
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