金属材料在高温条件下的力学性能.docx

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1、金属材料在高温条件下的力学性能目录1 .概述12 .材料的力学性能22.1.刚度22.2.强度32.3.塑性32.4.韧性42.5.硬度52.6.疲劳强度82.7.材料的性能102.7.1.物理性能102.7.2.化学性能102.7.3.工艺性能102.7.4.力学性能103 .金属材料在高温下性能的变化I14 .蠕变现象125 .蠕变断裂断口特征136 .性能指标及测定146.1.蠕变极限146.2.持久强度156.3.剩余应力166.4.高温力学性能的影响因素176.4.1.合金化学成分的影响176.4.2.冶炼工艺的影响176.4.3.热处理工艺的影响176.4.4,晶粒度的影响181

2、.概述高温下金属及合金中出现的扩散、回复、再结晶等现象，会使其组织发生变化。金属材料长时间暴露在高温下，也会使其性能受到破坏。在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机、化工设备中高温高压管道等设备中，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还不够。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，使管径逐步增大，甚至会导致管道破裂。温度的“高”或“低”是相对该金属的熔点来讲的，一般采用约比温度TTm（Tm表示材料熔点），TTm0.40.5,则算是高温。民用机接近1500C,军用机在2000C左右

3、，航天器的局部工作温度可达25002 .材料的力学性能材料的力学性能是指材料在外力的作用下抵抗变形和断裂的宏观性能。主要指标有刚度、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度。这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定，并可同时测定材料的应力应变曲线。2.1.刚度刚度是指材料抵抗弹性变形的能力，刚度的大小一般用弹性模量E表示。弹性模量是指材料在弹性状态下的应力与应变的比值。S=-弹性模量E越大，其刚度越大。E主要取决于各种金属材料的本性，是一个对组织不敏感的力学性能指标。对钢进行热处理、微量合金化及塑性变形等，其弹性模量变化很小。机械零件大多都是在弹性状态下工作的，零件对刚度都

4、有一定的要求，一般不允许有过量的弹性变形，因为过量的弹性变形会使机器的精度下降。零件的刚度主要由材料的刚度决定，另外还与零件的形状、截面尺寸有关。2.2.强度强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。根据外力作用方式不同，材料会受到抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗弯强度、冲击强度、疲劳强度、蠕变强度等。工程上常用的强度指标有弹性极限、屈服点(屈服强度)、抗拉强度等。(1)弹性极限。e是材料开始产生塑性变形时所承受的最大应力值。(2)屈服点。s是表示材料开始产生明显塑性变形的最小应力值。对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点。国家标准规定，一般以残余

5、伸长率为0.2%时对应的应力。0.2作为材料的屈服强度。(3)抗拉强度Ob是指材料在断裂前所承受的最大应力值。试样在拉伸过程中，达到最大载荷之前是均匀塑性变形，因此抗拉强度。b是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。塑性材料的没有直接意义；铸铁等脆性材料在拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度。b就是材料的断裂强度，脆性材料制成的零件以。b确定其许用应力。2.3.塑性塑性是指材料在外力作用下产生永久变形而不被破坏的能力。主要指标是断后伸长率和断面收缩率。(1)断后伸长率是指拉断后标距的伸长量11-10与原始标距10的比值。5=-100%，o式中，11为试样拉断后标距的长度；10为试样的原始标距。

6、(2)断面收缩率是指试样拉断处横截面积的减小量S1-SO与原始横截面积SO的比值。11为试样拉断后断裂处的最小横截面积。5=当二当X1Oo%S。2.4.韧性韧性是指当承受应力时对折断的抵抗，其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。韧性主要分为冲击韧性和断裂韧性。(1)冲击韧性是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力。冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。把冲击吸收功值低的材料称为脆性材料，冲击吸收功值高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前没有明显的塑性变形，断口较平直，呈晶状或瓷状，有金属光泽；而韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。有些金属材料，如工程上用的中

7、低强度钢，当温度降低到某一程度时，会出现冲击吸收功明显下降的现象，这种现象称为冷脆现象。通过测定材料在不同温度下的冲击吸收功，就可测出某种材料冲击吸收功与温度的关系曲线。冲击吸收功随温度降低而减小，在某个温度区间，冲击吸收功发生急剧下降，试样断口由韧性断口过渡为脆性断口，这个温度区间就称为韧脆转变温度范围。冲击韧性是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标。由于冲击吸收功对材料内部组织十分敏感，因此在生产、科研中得到广泛应用。通过测定冲击吸收功和对试样断口进行分析，能揭示材料的内部缺陷，如气泡、夹渣、偏析等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等热加工缺陷。这些缺陷使材料的冲击吸收功明显下降，因此

8、，目前用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。实践表明，塑性、韧性越高，材料抵抗大能量冲击的能力越强；但在小能量多次冲击的情况下，决定材料抗冲击能力的主导作用是强度，提高材料的冲击吸收功值并不能有效提高使用寿命。(2)断裂韧性是材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。材料内部不可避免地存在各种缺陷(夹杂、气孔等)，使材料内部不连续，这些不连续处可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹

9、尖端应力场。用来衡量应力场强弱的参数称为应力场强度因子K1o应力场强度因子K1是一个与应力和裂纹半长有关的复合参数。对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，当外力逐渐增大或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子K1也不断增大，当应力场强度因子K1增大到某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值称为材料的断裂韧度，用KiC表示。它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。断裂韧度可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。断裂韧度是材料的一种固有特性，与外加载荷大小、裂纹本身的大小、试样尺寸等无关，

10、而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。对于一定状态下的材料而言，是一个固定的常数，而Ki则是变化的，它随着载荷和裂纹尺寸的变化而变化，当载荷为零时，Ki=Oo2.5.硬度硬度是指材料局部抵抗硬物压入表面的能力。硬度是衡量材料软硬的指标，既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。常用的硬度测定方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等测试方法。(1)布氏硬度布氏硬度以HB表示(参照GB/T231-1984),一般用于材料较软的时候，如有色金属、热处理之前或退火后的钢铁

11、。布氏硬度的测试原理：在一定的载荷F作用下，将一定直径D的淬火钢球或硬质合金球压入到被测材料的表面，保持一定的时间t后将载荷卸掉，测量被测材料表面留下压痕的直径d,根据d计算出压痕的面积S,最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值，实际测试布氏硬度时，硬度值是不用计算的，利用刻度放大镜测出压痕直径d,根据d查表。进行布氏硬度试验时，当用淬火钢球作为压头时，用HBS表示，适用于布氏硬度低于450的材料；当用硬质合金球作为压头时，用HBW表示，适用于硬度值为450650的材料。（2）洛氏硬度洛氏硬度试验法是目前应用最广泛的硬度测试方法，它是直接用压痕深度来确定硬度值的

12、。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）。HRB：是采用IOOkg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。HRC：是采用15Okg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，（如淬火钢等）。洛氏硬度的测试原理：用顶角为120。的金刚石圆锥体或者用直径为1.588mm的淬火钢球作为压头，先加初载荷为98.07N（IOkgf3，再加规定的主载荷，将压头压入金属材料的表面，卸去主载荷后，根据压头压入的深度最终确定其硬度值。洛氏硬度的硬度值没有单位。S)(SQ-实际测量时，洛

13、氏硬度是在硬度计上直接读出硬度值的。洛氏硬度试验的优点是测量迅速简便，压痕较小，可用于测量成品零件或薄片；缺点是测量值有局部性，须测数点求平均值，因此测得的硬度值不够准确，适用范围为HRC20-67,相当于HB225-650。(3)维氏硬度为了在同一种硬度标尺上测定从极软到极硬金属材料的硬度，特制定了维氏硬度试验法。维氏硬度试验法原理与布氏硬度的基本相同，用一个相对面夹角为136的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷的作用下压入被测金属的表面，保持一定时间后卸除载荷，用压痕单位面积上承受的载荷(F芦)来表示硬度值，维氏硬度的符号为HV。计算出的维氏硬度值有单位(kgfmm2或者Nmm2),但通常不

14、标单位。实际测定时，测出压痕对角线长度，然后通过查表即可查出维氏硬度值。维氏硬度的优点是试验载荷小，压痕较浅，适合测定冬件表面淬硬层及化学热处理的表面层等；可以测量极软到极硬的材料，由于维氏硬度只用一种标尺，材料的硬度可以直接通过维氏硬度值比较大小；由于测量载荷可任意选择，因此既可测尺寸厚大的材料，又能测很薄的材料。缺点是试样表面要求高，硬度值的测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。由于各种硬度试验的条件不同，因此相互之间没有理论换算关系。但根据试验数据分析，得到粗略换算公式为：当硬度在200600HBS(HBW)范围内时，HRg11OHBS(HBW);当硬度小于450HBS时，HBS=HVo2

15、.6.疲劳强度疲劳断裂是指在变动载荷的作用下，零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的突然断裂现象。疲劳断裂的特点如下：(1)疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限。(2)断裂前，零件没有明显的塑性变形，即使伸长率6和断面收缩率力很高的塑性材料也是如此。(3)疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂纹常在表面缺口(如螺纹、刀痕、油孔等)、脱碳层、夹渣物、碳化物及孔洞等处形成。(4)实验数据分散性较大(手册上的数据是统计数据)产生疲劳断裂的原因，一般认为是由于零件应力高度集中的部位或材料本身强度较低的部位，在交变应力作用下产生了疲劳裂纹，并随着应力循环周次的增加，裂纹不断扩展使零件有效承载面积不断减小，最后突然断裂。零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。疲劳断口一般可明显地分成三个区域，即疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。疲劳强度。D是指材料经受无限次循环应力也不发生断裂的最大应力值。实践表明，如果10八7周次应力循环下，仍不发生疲劳断裂，则在经过相当多次的应力循环后一般也不会疲劳断裂。GB433784规定，一般钢铁材料循环周次取10人7周次时能承受的最大循环应力为疲劳强度。金属材料的疲劳强度受到很多因素的影响，如