金属材料强度与温度的关系ppt.pptx

金属材料强度与温度的关系内容1.金属材料在高温下得力学行为特点2.蠕变3.表征材料高温力学性能得强度指标4.高温强度得影响因素1、金属材料在高温下得力学行为特点p由于高温下原子扩散能力得增大,材料中空位数量得增多以及晶界滑移系得改变或增加,使得材料得高温强度与室温强度有很大得不同。l考虑材料得高温强度时考虑材料得高温强度时,除了温度与力学这二个最基本除了温度与力学这二个最基本得因素之外得因素之外,还必须考虑时间及介质因素得影响。还必须考虑时间及介质因素得影响。p在高温条件下材料得变形机制增多,易发生塑性变形,表现为强度降低,形变强化现象减弱,塑性变形增加。l强度随温度升高而降低强度随温度升高而降低,塑性则随温度升高而增加。塑性则随温度升高而增加。p对于大多数碳钢、铬钼钢与奥氏体钢,强度极限随温度得变化大致上可分为三个阶段:l初始阶段、中间阶段与第三阶段。初始阶段、中间阶段与第三阶段。u在初始阶段温度较低,强度极限随着温度得升高而明显降低。u在中间阶段,强度极限随温度升高而缓慢下降。u在温度较高得第三阶段,强度极限急剧降低。碳钢与某些低合金钢(如Cr-Mo钢、Cr-Mo-V钢)在中间阶段强度极限会出现一个升高得峰值,这就是时效硬化所造成得。峰值温度与材料得蓝脆温度相当。p碳钢与Cr-Mo钢得伸长率与断面收缩率随温度得变化也可分为三个阶段:l初始阶段、中间阶段与第三阶段。初始阶段、中间阶段与第三阶段。u在初始阶段,伸长率与断面收缩率随温度升高而逐渐下降;u中间阶段,伸长率与断面收缩率达到一个最低值,然后又开始回升;u到第三阶段,随着温度得升高,伸长率与断面收缩率明显升高。p在高温条件下,应变速度对材料得强度也有明显得影响。l应变速度越高应变速度越高,材料得强度也越高。材料得强度也越高。u尽管室温下应变速度对强度也有影响,但在高温下这种影响要大得多。p由于应变速率得这种影响,为了使高温短时拉伸试验得结果能相互比较,其试验时间必须统一规定。l各国在试验标准中都对此作出了严格得要求各国在试验标准中都对此作出了严格得要求项目项目标准名称标准名称载荷载荷精度精度试验温度允差试验温度允差()()引伸仪精度引伸仪精度应变速度应变速度(加载速度加载速度)波动波动梯度梯度YB941YB941中国中国1%9001200:5345屈服点或屈服强度前屈服点或屈服强度前:0、03l0/min(一般试验一般试验)0、02l0/min(仲裁试验仲裁试验)ISO R-783ISO R-783国际国际8001000:60、01%屈服强度前屈服强度前:0、1%0、3%/minASTM E21ASTM E21美国美国982:636屈服点前屈服点前:(0、50、2)%/min屈服点后屈服点后:(51)%/minBS3688BS3688英国英国0、5%800:55屈服强度前屈服强度前:(0、10、3)%/minJIS G0567JIS G0567日本日本600800:48001000:60、01mm屈服点或屈服强度附近屈服点或屈服强度附近:(0、10、5)%/min屈服强度后屈服强度后:(0、51、0)%/minDIN 50112DIN 50112DIN 50118DIN 50118德国德国600800:48001000:610001100:84屈服点前屈服点前:5MPa/s96519651前苏联前苏联600900:59001200:6常规试验时常规试验时,允许再允许再加加2波动波动(0、040、1)l0/min不大于不大于80MPa/minp材料在高温条件下,承受不同得载荷,其断裂所需得时间也不同。l不但断裂所需得时间随着承受得应力增加而缩短不但断裂所需得时间随着承受得应力增加而缩短,而且断裂得形式也会发而且断裂得形式也会发生改变。生改变。u晶界强度与晶粒强度随温度增加而下降得趋势不同,在其交点对应温度TS(称为等强温度)以上,材料由穿晶断裂变为沿晶断裂。u形变速度愈低则TS愈低Ts小结l强度随温度升高而降低强度随温度升高而降低,塑性则随温度升高而增加。塑性则随温度升高而增加。l力学行为及性能与加载持续时间密切相关力学行为及性能与加载持续时间密切相关u在高温下即使承受应力小于该温度下得屈服强度,随着承载时间得增加材料也会产生缓慢而连续得塑性变形,即材料将发生蠕变。u在高温下随承载时间得增加塑性会显著下降,材料得缺口敏感性增加,断裂往往呈脆断现象。l温度影响材料得微观断裂方式。温度影响材料得微观断裂方式。l环境介质对材料得腐蚀作用随着温度得升高而加剧环境介质对材料得腐蚀作用随着温度得升高而加剧,从而影响材料得从而影响材料得力学性能。力学性能。p因此,材料得室温力学性能不能反映它在高温承载时得行为,必须进行专门得高温性能试验,才能确定材料得高温力学性能p而温度与时间就是影响金属高温性能得重要因素,故研究金属高温力学行为必须研究温度、应力与应变与时间得关系。2、蠕变p金属在一定温度、一定应力(即使小于s)作用下,随着时间得增加而缓慢连续产生塑性变形得现象称为蠕变。l蠕变在温度较低时也会发生蠕变在温度较低时也会发生,但只有在温度高于但只有在温度高于0、3Tf(熔点温度熔点温度)时才比较明显。时才比较明显。u引起材料蠕变得应力状态可以就是简单得(例如单向拉伸、压缩、弯曲),也可能就是复杂得;可以就是静态得,也可能就是动态得。大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点2、1蠕变曲线得定性分析p蠕变就是材料力学性能之一,材料抗蠕变得能力就是蠕变强度,用蠕变极限表示。p材料抗蠕变断裂得能力用持久强度表示。l蠕变极限与持久强度用试验测定蠕变极限与持久强度用试验测定,测定出得蠕变曲线可能就是恒应测定出得蠕变曲线可能就是恒应力状态力状态,也可能就是恒温度状态曲线。也可能就是恒温度状态曲线。l无论何种无论何种,典型得蠕变曲线都可以分为三个阶段典型得蠕变曲线都可以分为三个阶段,p不同金属材料在不同条件下得到得蠕变曲线就是不同得p同一种金属材料蠕变曲线得形状也随应力与温度不同而不同u但一般而言,各种蠕变曲线差不多都保持着上述三个组成部分,只就是各阶段持续时间长短不一左图表示了温度不变时应力对蠕变曲线得影响,右图表示了应力不变时温度对蠕变曲线得影响。由图可见,应力较小或温度较低时,蠕变第二阶段即稳定蠕变阶段延续很长。反之则第二阶段可能很短甚至消失。这时蠕变只有第一阶段与第三阶段,材料将在短时间内断裂。p蠕变第一阶段以晶内滑移与晶界滑移方式进行。l蠕变初期由于攀移驱动力不足蠕变初期由于攀移驱动力不足,因而滑移造成得因而滑移造成得形变强化效应超过攀移造成得回复软化效应形变强化效应超过攀移造成得回复软化效应,故故变形速率不断降低。变形速率不断降低。l蠕变初期可能在晶界台阶处或第二相质点附近蠕变初期可能在晶界台阶处或第二相质点附近形成裂纹核心形成裂纹核心,也可能由于晶界滑动在三晶粒交也可能由于晶界滑动在三晶粒交汇处受阻而形成裂纹核心。汇处受阻而形成裂纹核心。p蠕变第二阶段,晶内变形以位错滑移与攀移交替方式进行,晶界变形以晶界滑动与迁移交替方式进行。l晶内迁移与晶界滑动使金属强化晶内迁移与晶界滑动使金属强化,但位错攀移与但位错攀移与晶界迁移使金属软化晶界迁移使金属软化,强化与软化作用达到动态强化与软化作用达到动态平衡时平衡时,形变速率即保持稳定。形变速率即保持稳定。l蠕变第二阶段在应力与空位流同时作用下蠕变第二阶段在应力与空位流同时作用下,裂纹裂纹优先在与拉应力垂直得晶界上长大优先在与拉应力垂直得晶界上长大,形成楔形与形成楔形与孔洞形裂纹。孔洞形裂纹。p蠕变第三阶段在由第二阶段后开始连接得楔形与孔洞形裂纹上进一步依靠晶界滑动、空位扩散与孔洞连接而扩展,蠕变速度加快,直至裂纹达到临界尺寸而断裂。p一种理想得材料,要求它得蠕变曲线具有很小得起始蠕变(蠕变第一阶段)与低得蠕变速度(蠕变第二阶段),以便延长产生1总变形量所需得时间。p同时也要有一个明显得第三阶段,可以预示材料得强度正在消失,断裂时有一定得塑性。l蠕变就是一个包含许多过程得复杂现象。比起室温下蠕变就是一个包含许多过程得复杂现象。比起室温下得力学性能来材料得蠕变性能对组织结构得变化更为得力学性能来材料得蠕变性能对组织结构得变化更为敏感。敏感。l所以蠕变曲线得形状往往随着材料得组织状态以及蠕所以蠕变曲线得形状往往随着材料得组织状态以及蠕变过程中所发生得组织结构变化得不同而不相同。变过程中所发生得组织结构变化得不同而不相同。u例如在高温下会发生相变得某些合金(如Fe20、5W,Ni25、5Mo等),即使在承受拉伸载荷时,也会由于相变时得体积变化而使试件收缩,形成所谓得“负蠕变现象”。2、2蠕变曲线得定量分析l关于蠕变曲线得表示方式关于蠕变曲线得表示方式,u有用蠕变过程中应变或应变速度与时间得关系来表示,u有用应变或应变速度与温度得关系来表示,u还有用应变或应变速度与应力得关系来表示。有些表达式可同时表达三个阶段得蠕变规律,有得只表示某阶段得蠕变规律。u不同得表示方式可获得不同得关系式,目前应用较广得就是应变或应变速度与时间得关系。2、2、1在给定温度或应力下蠕变与时间得关系pBailey提出适用于第一阶段得公式l (1/3n1/2)(1)pMevetly提出适用于第一及第二阶段得公式l (2)u第二阶段为线性关系,上两式中得A、B、C、F均为实验待定常数,为应变,t为时间。高温蠕变与低温蠕变pGraham与Walles提出第一及第二阶段公式,在较低温度与较小应力时,第一阶段蠕变公式为:l 、(3)l称为称为蠕变或对数蠕变蠕变或对数蠕变,也称为低温蠕变。也称为低温蠕变。p当温度较高应力较低时,公式为:l 、(4)l称为称为蠕变或高温蠕变蠕变或高温蠕变,就是由应力与温度决定得常数。就是由应力与温度决定得常数。p而第二阶段得蠕变公式为:l (5)l称为称为K蠕变。蠕变。u高温蠕变与低温蠕变并没有严格区分得温度界限,不过前者往往发生在原子扩散速度比较大得情况下,一般以0、5Tf作为界限,在此以上就是高温蠕变,以下就是低温蠕变。按这个温度区分时,低温蠕变也可能有回复现象发生,不过进行得不很充分而已。p也有人把蠕变第一阶段瞧成就是较低温度下起主导作用得蠕变与较高温度得以蠕变为主得蠕变得总与,合并式(3)与式(4)可得表示蠕变曲线第一阶段得通式:l 、(6)u对蠕变第三阶段得表达式,研究较少。虽曾有人提出过一些关系式,但并没有普遍得意义。一般认为蠕变得加速阶段没有共同得关系式。2、2、2应力与蠕变速度得关系p研究应力与蠕变速度得关系时多采用恒速蠕变阶段,因为设计时多以第二阶段蠕变速度作为指标。这样可使研究简化,并有明确得工程意义。p这方面得关系式主要有Garofalo与Finnie根据她们得实验结果提出得应力蠕变速度关系式:2、2、3温度与蠕变速度得关系p温度对蠕变有重要影响,进行蠕变试验时必须精确测量与控制温度。随着温度升高,蠕变速度增大。许多人提出过温度与恒速蠕变得变形量或蠕变速度得关系式。lMott式式:lDorn式式:lZener-Holloman式式:2、3金属材料在蠕变中得组织变化p2、3、1晶体结构l晶体结构不同原子自晶体结构不同原子自扩散能力也不同扩散能力也不同,蠕变蠕变速度即随之发生变化。速度即随之发生变化。纯铁在相同温度下体纯铁在相同温度下体心立方得扩散能力大心立方得扩散能力大于面心立方于面心立方,所以低碳所以低碳钢在温度超过相变点钢在温度超过相变点时蠕变速度会发生突时蠕变速度会发生突变。变。p金刚石结构得元素原子自扩散系数较小,因此Ge、Si具有较高得高温强度。p除晶体结构对原子自扩散能力有影响外,反映原子结合能力得金属熔点对扩散也有很大影响。p高熔点金属扩散系数小,所以高温材料多添加高熔点元素,如W、Mo、V、Ta、Nb、Ni、Cr等。2、3、2亚晶p多晶体得实际变形就是不均匀得。u试验表明纯铝在3501、37MPa外加应力下经9、5h产生得总蠕变伸长量为18、6,但每个晶粒得蠕变伸长量就是不相同得。小得仅为15,而大得有36。p由于蠕变过程中变形得不均匀性,到一定程度原始晶粒会被形变交错组成得狭窄形变带分割成很多位向略有差异得小晶粒,即形成亚晶。l蠕变得第一阶段与第二阶段均可形成亚晶。蠕变得第一阶段与第二阶段均可形成亚晶。2、3、2亚晶p亚晶尺寸随温度升高与应力降低而增大,尺寸增大到一定程度后将不再变化。亚晶界就就是位错墙,就是位错密度很高得位错胞壁。u亚晶得形成过程相当于在应力作用下得多边化过程,需要位错得交错滑移与攀移。p亚晶本身就是比较稳定得,但就是亚晶得相对转动会引起蠕变,因而就整个材料而言,具有亚晶得材料比较容易变形。2、3、3晶粒尺寸p蠕变速度与晶粒直径得关系如下:p(13)u式中:d为最小晶粒直径,k为材料常数。l上式表明上式表明,低温恒速蠕变速度与晶粒直径成正比。随温度升高低温恒速蠕变速度与晶粒直径成正比。随温度升高,晶晶粒不断长大粒不断长大,高温下蠕变速度与晶粒直径成反比。高温下蠕变速度与晶粒直径成反比。l晶粒尺寸对不同温度下蠕变速度得影响差异与蠕变机制有关。晶粒尺寸对不同温度下蠕变速度得影响差异与蠕变机制有关。u高温蠕变就是扩散机制,晶界原子扩散能力大于晶内,晶粒粗大晶界体积减少,使得蠕变速度降低。2、3、4晶界p室温下晶界对滑移起阻碍作用,温度升高阻碍作用减小。p高温下晶界参与变形,并对总得蠕变形变量产生作用。l多晶体蠕变由晶内蠕变与晶界蠕变组成。多晶体蠕变由晶内蠕变与晶界蠕变组成。u两部分所占比例与温度及蠕变速度有关。u晶界变形量占蠕变总变形量得比例随温度升高与形变速度得降低而增加,有时甚至高达4050%。l因此晶界参与形变得行为就是蠕变变形中不可忽视得重要方面。因此晶界参与形变得行为就是蠕变变形中不可忽视得重要方面。p晶界蠕变就是晶界滑移引起得,晶界滑移能力与晶界结构与位向有关。l在小角度晶界范围内在小角度晶界范围内,随位向差增大晶界滑移量也增大随位向差增大晶界滑移量也增大,晶界变形晶界变形量在总变形量中所占比例也越大。量在总变形量中所占比例也越大。纯铁在晶粒直径30m时,晶界变形可占总变形得60。2、3、5溶质原子l溶质原子尺寸、熔点等对固溶质原子尺寸、熔点等对固溶体蠕变都有影响。溶体蠕变都有影响。l溶质引起得点阵畸变越大溶质引起得点阵畸变越大,位错运动越困难位错运动越困难,蠕变越不蠕变越不容易进行。容易进行。l溶质熔点越高阻碍蠕变得效溶质熔点越高阻碍蠕变得效应也越大。应也越大。u高熔点溶质得存在可能使得固溶体熔点升高,原子扩散激活能增大,从而使蠕变速度降低,提高材料得蠕变强度。l铁基合金中加入铁基合金中加入Mo、Cr、Ni、Mn等对蠕变强度得影等对蠕变强度得影响见图响见图12。uMo与Fe得原子半径差最大,且Mo得熔点又高(2625),所以能显著提高铁素体钢得高温强度。2、3、6弥散相p大部分耐热钢或耐热合金为使材料强化在基体上常有弥散分布得离散相。l这些弥散相对蠕变速度得影响见图。这些弥散相对蠕变速度得影响见图。l适当得弥散相颗粒间距就是提高材料高温强度得关键。适当得弥散相颗粒间距就是提高材料高温强度得关键。3、表征材料高温力学性能得强度指标p3、1条件蠕变极限p3、2持久强度p3、3钢得持久塑性p3、4钢得应力松弛3、1条件蠕变极限p为了表征材料在某一温度条件下抵抗蠕变得能力,应当将“强度”得概念与“蠕变变形”联系起来,这就就是条件蠕变。l它有二种定义方法它有二种定义方法:l一种就是指在给定温度下引起规定变形速度一种就是指在给定温度下引起规定变形速度(蠕变速度蠕变速度)时得应力值。时得应力值。此处所指得变形速度就是第二阶段得稳定变形速度。此处所指得变形速度就是第二阶段得稳定变形速度。u如在电站锅炉、汽轮机与燃气轮机中,规定得变形速度一般就是1105h或1104h,则以或代表在t温度下,蠕变速度为1105h或1104h得蠕变极限。l另一种就是指在给定温度下另一种就是指在给定温度下,在规定得使用时间内使试件发生一定量在规定得使用时间内使试件发生一定量得总变形时得应力值。得总变形时得应力值。u如或表示在t温度下,经105或104小时后总变形量为1得条件蠕变极限。p蠕变总变形量可按(14)式计算:l 、(14)u式中:t为总变形;2为第二阶段得蠕变速度;t为时间;0为弹性变形;为蠕变曲线在第一阶段结束时得切线在纵坐标轴上截取得长度,一般可用蠕变第一阶段得变形来代替,二者得数值相差不大。(参见图7)l上述二种蠕变极限所确定得变形量上述二种蠕变极限所确定得变形量,其值相差为其值相差为 (见图见图7)。由于这个差值很小由于这个差值很小,可以略去不计可以略去不计,故一个恒定得蠕变速度故一个恒定得蠕变速度110-5h就相当于在就相当于在105小时得总蠕变变形量为小时得总蠕变变形量为1。p条件蠕变极限无法确定材料条件蠕变极限无法确定材料在该温度及应力条件下发生断在该温度及应力条件下发生断裂所需得时间以及断裂时材料裂所需得时间以及断裂时材料得总变形量得总变形量,也无法知道材料也无法知道材料在断裂前得整个蠕变过程。即在断裂前得整个蠕变过程。即它不能表示材料在高温条件下它不能表示材料在高温条件下得断裂情况。因此得断裂情况。因此,仅仅依靠仅仅依靠蠕变试验得结果作为设计高温蠕变试验得结果作为设计高温承载元件得强度依据就是不够承载元件得强度依据就是不够得。得。3、2持久强度p持久强度就是表征材料在高温条件下长期使用得力学性能指标。l因为材料得持久强度试验要一直做到试样断裂因为材料得持久强度试验要一直做到试样断裂,所以它可以反映金所以它可以反映金属材料在高温下长期使用至断裂时得强度与塑性。属材料在高温下长期使用至断裂时得强度与塑性。l它就是以在给定得温度下它就是以在给定得温度下,经过一定时间而断裂时材料所能承受得经过一定时间而断裂时材料所能承受得最大应力来表示。最大应力来表示。p持久强度试验不仅能反映材料在高温下长期工作得断裂抗力,通过测量试件在断裂后得残余伸长与截面收缩,也能反映材料得持久塑性。l 许多钢种在短时试验时其塑性较好许多钢种在短时试验时其塑性较好,但经高温长时加载后塑性有但经高温长时加载后塑性有显著降低得趋势显著降低得趋势,有得持久伸长率仅有得持久伸长率仅1%左右左右,呈现出蠕变脆性现象。呈现出蠕变脆性现象。3、2持久强度p持久强度与蠕变极限都就是反映材料高温力学性能得重要指标。区别在于侧重点不同。l蠕变极限以变形为主蠕变极限以变形为主,如汽轮机叶片、轴等动设备在长期运行中如汽轮机叶片、轴等动设备在长期运行中,只允许产生一定得变形量只允许产生一定得变形量,在设计时就必须考虑蠕变极限。在设计时就必须考虑蠕变极限。l而持久强度主要考虑材料在长期使用中得破坏抗力而持久强度主要考虑材料在长期使用中得破坏抗力,如高温容器、如高温容器、高温管道等静设备高温管道等静设备,对蠕变要求不严对蠕变要求不严,但必须保证在使用期内不破但必须保证在使用期内不破坏坏,这就需要以持久强度作为设计依据。这就需要以持久强度作为设计依据。p由于持久强度试验耗时较长,因此确定持久强度得困难在于要用较短得试验结果去推测、估算长时期得持久强度值(例如用104h得试验结果去预测105h甚至更长时间得持久强度值)。p而蠕变试验往往可以用较短得试验时间(如20003000小时)测得得蠕变第二阶段得速度,就有可能达到10-7mm/mm、h得数量级。因而用蠕变速度确定材料得蠕变极限时不必象确定持久强度那样要作较远得外推。3、2持久强度p为了外推出符合实际得持久强度值,必须研究与建立应力与使用期限间得可靠关系。p这种关系由于金属材料在高温下长期运行时组织结构变化等因素得影响而比较复杂。p近年来,大量试验时间很长(接近105h)得持久强度试验数据得积累以及理论研究得发展,为建立这一关系创造了有利得条件。l关于高温强度得外推方法关于高温强度得外推方法,常用得主要有常用得主要有u等温线法、u时间温度参数法、u最小约束法(站函数计算法)、u状态方程法等,尤其就是前二种,实际应用得比较多。p等温线法l t=A-B l A、B 材料常数材料常数,(可用线性回归方法求出可用线性回归方法求出)p参数法(Larson-Miller法)l T(C+log t)=P()uT温度(k)uC材料常数(奥氏体钢取18)ut试验时间h(断裂)uP()应力参数u试验应力例题pCr-Ni奥氏体钢高温持久试验得数据如下,试求:l应力与持久时间得关系曲线应力与持久时间得关系曲线l求出求出810下经受下经受2000h得持久强度极限得持久强度极限l求出求出600下下20000h得许用应力得许用应力3、3钢得持久塑性p持久塑性就是材料在高温条件下工作得重要指标之一。p持久塑性降低会使材料发生脆断。l图图14表明了几种低合金热强表明了几种低合金热强钢得持久塑性与试验时间得钢得持久塑性与试验时间得关系。关系。l各种钢得持久塑性都有个最各种钢得持久塑性都有个最低值。低值。l钢种不同钢种不同,出现最低出现最低值得时值得时间不同。间不同。l同一种钢同一种钢,试验温度不同试验温度不同,出出现最低现最低值得时间也不同。值得时间也不同。l图图15为为0、5Mo钢在不同温钢在不同温度时得持久塑性。度时得持久塑性。p引起持久塑性降低得原因很多,主要仍就是合金元素、金相组织与热处理得影响。l合金元素对热强钢得持久塑性有着明显得影响合金元素对热强钢得持久塑性有着明显得影响,u凡就是钢中加入能强烈形成碳化物得元素,就会在晶内沉淀析出细小得碳化物,使持久塑性降低,u而能改善晶界强度得元素,则有利于持久塑性得提高。p在Cr-Mo钢与Cr-Mo-V钢中,l贝氏体组织得持久塑性最低贝氏体组织得持久塑性最低,l而铁素体珠光体组织有较高得持久塑性而铁素体珠光体组织有较高得持久塑性,l马氏体组织得持久塑性在二者之间。马氏体组织得持久塑性在二者之间。p此外,钢在高温长期应力得作用下,组织结构得稳定性对持久塑性也有影响,特别就是碳化物在晶内或晶界析出对热强钢得持久塑性有显著影响。p总体而言,关于材料高温持久塑性得研究尚不充分,特别就是长期持久塑性值很难用短时试验数据外推求得,必须经高温长期试验来获得,从而为持久塑性得研究增加了许多困难。3、4钢得应力松弛p预加弹性变形后在拉应力条件下工作得零件(如紧固螺栓),在高温下总变形量恒定不变而应力随时间延长而下降得现象,称为应力松弛。p材料得高温应力松弛现象也就是由蠕变引起得。p蠕变时,应力保持不变而塑性变形量与总变形量不断增加。但在松弛条件下,由于总变形量恒定(弹塑常数),则蠕变表现为随时间得增加,塑性变形量(塑)逐渐增加,弹性变形量(弹)却逐渐减少。p即塑性变形不断取代弹性变形(见图16),从而使弹性应力不断下降。3、4、1应力松弛现象与其性能指标 p应力松弛过程可通过松弛试验测定得松弛曲线描述。所谓松弛曲线就就是给定温度与给定总变形量下应力随时间得变化曲线,如图17。p松弛曲线分为二个阶段,第一阶段持续时间较短,随时间增加迅速下降,第二阶段持续时间很长,下降缓慢并逐渐趋于稳定。p材料抵抗应力松弛得能力称为松弛稳定性。松弛稳定性指标通过测定它得松弛曲线确定。p晶间稳定系数S0就是松弛第一阶段得松弛稳定性指标,S0定义为:l (15)u式中:0为初应力;0为松弛第二阶段得应力。p晶内稳定系数t0就是松弛第二阶段得松弛稳定性指标,t0定义为:l (16)u式中:为第二阶段松弛曲线与横坐标得夹角(参见图17)。pS0、t0数值愈大,材料松弛稳定性愈好。3、4、2应力松弛与蠕变得关系p蠕变就是在恒应力下,塑性变形随时间得延长而不断增加得过程;p松弛就是在恒定总变形下,应力随时间得延长而不断降低得过程,此时塑性变形量得增加与弹性变形量得减少就是等量同时产生得。l这就是二者之间得区别这就是二者之间得区别,但它们得本质就是相似但它们得本质就是相似得得,松弛可瞧作就是在应力不断降低时得多级蠕松弛可瞧作就是在应力不断降低时得多级蠕变。变。p材料得高温应力松弛试验与高温蠕变试验通常都要进行很长得时间,如果能以一种试验方法同时得到蠕变与松弛二方面得性能数据,则有明显得工程意义。u但要提出一个精确得换算公式就是十分困难得,也无法用一条单一得蠕变曲线(或松弛曲线)换算或用作图法绘制出一条松弛曲线(或蠕变曲线)来。u不过一些研究表明,可由一组重复加载条件下得松弛曲线绘制出一条蠕变曲线,或由一组不同应力下得蠕变曲线绘制松弛曲线。4高温强度得影响因素p材料得高温强度就是一个十分敏感得性能指标。l化学成分、冶炼工艺、组织结构与热处理工艺等对它化学成分、冶炼工艺、组织结构与热处理工艺等对它得影响程度远大于对室温力学性能得影响。得影响程度远大于对室温力学性能得影响。l有些室温力学性能大致相同得材料在高温强度方面相有些室温力学性能大致相同得材料在高温强度方面相差很大。差很大。p提高材料高温强度得关键就是二个方面:l一就是使在蠕变变形过程中受到阻碍而塞积得位错不一就是使在蠕变变形过程中受到阻碍而塞积得位错不容易因滑移与攀移而得以重新开动容易因滑移与攀移而得以重新开动;l另一就是使晶界强化另一就是使晶界强化,尽量避免晶间开裂。尽量避免晶间开裂。u因而,对高温强度得影响因素也可以从这二方面来予以分析。4、1化学成分p4、1、1碳得影响p碳对钢得高温强度随钢所处得温度、应力、持续时间以及钢中存在得其它元素不同而异。p对碳素钢而言,含碳量0、4时,其高温强度随碳含量增加而提高,但这种影响又随温度升高而减弱,在温度500时已无明显作用了。l表表2给出了给出了0、5Mo钢钢,在一定温度与应力条件下提高高温强度得最在一定温度与应力条件下提高高温强度得最佳含碳量。佳含碳量。u表2在不同温度与应力下提高0、5Mo钢得高温强度得最佳含碳量温度,应力,MPa最佳含碳量,5501400、25600620、20p这表明在较低温度、较高应力时,含碳量适当高一些对0、5Mo钢得高温强度有利p而在较高温度、较低应力时,含碳量宜适当低一些。p对于Cr-Mo钢与Cr-Mo-V钢也有同样得结果p因此,在高温下使用得低合金热强钢宜取偏低得含碳量,一般为0、180、25,有时甚至低至0、10左右。4、1、2其它合金元素得影响p图21给出了一些常用合金元素在426时对珠光体钢得蠕变强度得影响(此处只指各合金元素单独加入钢中得效应)。l可见可见,Mo就是提高珠光体钢就是提高珠光体钢高温蠕变强度最有效得元高温蠕变强度最有效得元素素,依次为依次为Cr、Mn、Si。l这些元素在钢中形成合金固这些元素在钢中形成合金固溶体溶体,提高了固溶体得强度提高了固溶体得强度,并提高位错滑移与攀移得并提高位错滑移与攀移得阻力阻力,从而提高了材料得高从而提高了材料得高温强度。温强度。p强烈形成碳化物得元素V、Nb、Ti在钢中形成弥散分布得沉淀相,它对位错得滑移与攀移起到明显得阻碍作用,因而具有良好得强化效果。l但它们对材料高温强度得作但它们对材料高温强度得作用用,往往存在着一个最佳含往往存在着一个最佳含量。量。u由图22可见,含V量在0、3时12CrMo钢得蠕变速度最低。l因此我国大部分低合金热强因此我国大部分低合金热强钢都含有钢都含有0、3左右得左右得V。lNb得有效加入量比较小得有效加入量比较小,一一般般0、2。p另外,在钢中加入微量得硼能产生明显得晶界强化作用。l为提高铬钼钢得热强性一般在为提高铬钼钢得热强性一般在Cr-Mo钢中加入钢中加入0、0050、01得得硼硼p当几种合金元素同时存在于钢中时,它们对高温强度得影响比较复杂,必须对具体材料作具体分析。l大体而言大体而言,合金元素对金属材料高温强度得影响可归纳为合金元素对金属材料高温强度得影响可归纳为:u(1)每种合金元素得作用均与其含量不成正比,往往存在着一个最佳含量,而最佳含量又与其它合金元素以及温度、应力状态有关。u(2)每种合金元素得含量越多,则其单位含量所起得作用越小。因而多元素、少含量得钢种往往具有较好得高温性能。4、2冶炼方法p冶炼方法得影响主要表现为钢中气体量、晶界处得偏析物、杂质与显微孔穴等缺陷得影响。l这些缺陷越多这些缺陷越多,钢得高温性能越差。钢得高温性能越差。l冶炼时应尽量减少钢中有害元素冶炼时应尽量减少钢中有害元素(S、P、Zn、Sn等等)得含量。得含量。u这将明显提高钢得持久强度与持久塑性。u试验表明,高纯度得Cr-Mo-V钢得持久塑性比普通得Cr-Mo-V钢得持久塑性提高3倍,断裂寿命高2倍。p造成这种影响得原因就是由于高纯度钢得晶界有害偏析大为减少,因此为了进一步改善热强钢得冶金质量,目前多用电炉熔炼加炉外精炼,电渣重熔或真空熔炼等技术,以提高钢得纯净度。4、3组织结构p金属材料中得碳化物相就是构成金属材料较高强度得基础,因而碳化物得形状及分布对钢得热强性有较大得影响。p珠光体钢中得碳化物(Fe3C)以片状存在时,热强性较高,若以球状存在时,特别就是聚集成大块碳化物时,会使钢得热强性明显下降,参见图23。l故对可能发生珠光体球化得高温钢材故对可能发生珠光体球化得高温钢材,必须在运行中加强监督。必须在运行中加强监督。p此外,材料得晶粒度对高温强度也有影响。p室温条件下一般都希望钢具有细晶粒组织,因为晶粒愈细小,由于晶界强化得结果使得材料得强度愈高,同时韧性也好。p但在高温条件下,较粗得晶粒组织却往往具有较高得抗蠕变能力,这与高温下得晶界强度下降较快有关,参见图6。u当然晶粒过粗也会使钢材变脆,造成持久塑性及冲击值下降。通常对在高温下工作得锅炉与压力容器用钢得晶粒度控制在37级,对在亚高温条件下工作得低碳钢得晶粒度控制在48级。p也有试验表明,对低合金热强钢得热强性得影响,关键不就是晶粒度得大小,而就是材料中晶粒大小得不同习性,晶粒大小差异越大则高温强度越低。p这就是由于在大小晶粒交界处出现应力集中与集中,裂纹容易在这里产生,引起过早得断裂。p因此为了保证钢材得高温性能,一般要求在高温高压条件下工作得材料得晶粒度级别差不超过3个等级。4、4热处理方法p室温下一般不会引起材料组织结构得变化,因而所采用得热处理方法往往使钢材得结构处于亚稳定状态,这样可使在室温下工作得元件有较高得强度,但在高温条件下,亚稳定得组织结构将发生变化,使材料得高温性能变坏。p对于珠光体钢,在采用正火回火得热处理工艺时,回火温度应比元件得工作温度高100以上,以便元件在工作温度下能保持材料组织得稳定性,常用得珠光体型热强钢一般都采用这种方法。但实际上由于高温长期得作用,组织仍然有可能发生变化,即材料发生老化,这将在下节中讨论。p对于奥氏体热强钢,常采用固溶处理得方法。l即将奥氏体钢加热到即将奥氏体钢加热到10501150以后在水中或空气中快速冷却以后在水中或空气中快速冷却,使碳化物及其它化合物溶于奥氏体使碳化物及其它化合物溶于奥氏体,得到单一得奥氏体组织得到单一得奥氏体组织,使之使之具有较高得热强性。具有较高得热强性。4、5温度波动对高温强度得影响p温度波动对高温强度得影响有二个方面:l一就是温度得波动使实际温度高于规定温度一就是温度得波动使实际温度高于规定温度,从从而影响材料得高温性能。而影响材料得高温性能。l二就是由波动所产生得附加热应力对高温强度二就是由波动所产生得附加热应力对高温强度得影响。得影响。u如果温度变化较慢,波动幅度不超过2040,所产生得附加热应力很小,可以忽略不计。u此时主要就是前者对高温性能得影响。试验表明在温度波动条件下材料得高温强度(蠕变极限与持久强度)相当于在温度波动上限时材料得高温强度,即低于在平均温度时得高温强度。4、6长期服役后得材料老化及对高温强度得影响p老化或劣化指得就是由于长期使用后材料性能发生下降得现象。l对于高温下使用得材料对于高温下使用得材料,这种现象表现得尤为明显。近这种现象表现得尤为明显。近年来越来越受到工程部门得重视。年来越来越受到工程部门得重视。p所谓材料老化,本质就是由组织结构得不稳定所致。l以往得材料老化研究多集中于使用中得球化现象描述以往得材料老化研究多集中于使用中得球化现象描述,由于球化分级只就是一个半定量得组织结构老化描述由于球化分级只就是一个半定量得组织结构老化描述,所以无法与性能之间建立定量得关系。所以无法与性能之间建立定量得关系。p如何全面与定量地描述材料得老化特征,找出关键得几个特征参量,就是老化规律研究得主要方面。p材料在长期服役中发生得性能(通常指力学性能)变差“老化、退化、劣化”laginglDegradationp由于性能满足不了设计要求,导致失效。p钢得组织稳定性l钢得加热温度如果低于相变温度钢得加热温度如果低于相变温度,虽然不发生相虽然不发生相变。但在高温长期应力作用下变。但在高温长期应力作用下,由于扩散过程得由于扩散过程得加剧加剧,钢得组织将逐渐发生变化。这种变化会引钢得组织将逐渐发生变化。这种变化会引起钢得性能改变。起钢得性能改变。在高温长期运行过程中出现得组织不稳定现象有:这些组织不稳定性得综合影响结果就是造成低合金耐热钢热强性降低与钢材脆化(性能劣化)得主要原因之一 石墨化球化固溶体合金元素得贫化在蠕变过程中碳化物相析出类型得转变碳化物相在晶内与晶界析出及其积累贝氏体晶粒得再结晶石墨化p珠光体内得渗碳体分解为游离石墨u低C钢在450以上,0、5Mo钢在500长期工作会发生石墨化,出现一般需要几万小时得时间。u石墨化过程就是与珠光体中渗碳体球化伴随产生得,并不就是球化结束后才发生石墨化。u试验表明,20#钢中游离石墨析出可在球化23级时产生。凡就是石墨化严重时,珠光体也几乎完全球化。u石墨化过程就是个扩散过程,运行时得超温或温度变化会加速扩散。u强烈形成碳化物元素(Cr、V、Ti、Nb)能有效地阻止石墨化过程。球化:p珠光体组织中片状渗碳体自发地趋向于球状渗碳体,并慢慢积聚长大。p片状渗碳体得自由能较球状渗碳体高,这种较高能量状态会自行趋向于较小能量状态。因此片状渗碳体有自行趋向于球状得趋势。p温度与时间得影响球化得影响因素式中t:到达一定球化速度所需得时间(小时)T:绝对温度(K)b:珠光体钢为33000 A:由钢成分与组织状态决定得参数 p合金元素得影响球化以扩散为基础凡就是能形成稳定碳化物得合金元素与进入固溶体降低固溶体中原子扩散系数得合金元素,都将阻止或减缓球化及其积聚过程。球化得影响因素C钢钢 Mo钢钢 Cr-Mo钢钢 Cr-Mo-V钢钢p其它因素u晶粒度细晶粒具有较多得有利于扩散进行得晶界u渗碳体片得大小细小得渗碳体片缩短扩散距离u塑性变形程度与残余应力晶格畸变与残余应力会加速扩散如:0、5Mo钢在500完全球化所需得时间粗晶粒钢24000h细晶粒钢16000h冷加工变形后5000h球化得影响因素固溶体中合金元素得贫化p在高温长期应力作用下,固溶体中合金元素得贫化就是组织不稳定得形式之一。p化学成分与运行温度对固溶合金元素贫化起决定作用。p因为固溶体中合金元素得贫化与扩散过程有关,若钢中加入得合金元素能延缓扩散过程,则将有利于固溶体得稳定化。如Nb、Ti、V可以减缓其它合金元素在固溶体中得扩散速度,从而阻碍合金元素由固溶体内向碳化物中迁移。蠕变过程中碳化物析出相类型得转变p由于珠光体组织中Fe3C得分解,固溶体内合金元素向碳化物相过渡以及碳在固溶体内扩散过程得加速进行,会引起在蠕变过程中碳化物相析出类型发生变化,从而影响到钢得热强性。p由于碳化物相就是金属材料中得主要强化相,其在钢中得含量虽少,但影响却十分显著,它对钢得组织与性能变化均起着决定性作用。碳化物相在长期使用中得一系列变化过程反映了材料得老化过程。p一般而言,碳化物相得变化主要有以下几个方面:l(1)组织形态改变组织形态改变u珠光体中得碳化物相在使用中逐渐变为球状,即珠光体球化。这就是碳化物分布形态变化得一个基本特征,就是一种蠕变条件下得常见组织老化形式。u除此之外,形态得变化形式还有晶粒变形、再结晶及更复杂得微观位错结构变化等,直接与材料得老化过程相关。l(2)相成分改变相成分改变u钢在长期