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金屬材料的高溫機械性能

高溫下承載材料的機械性能與室溫承載材料有很大區別：比如
    （1）       強度降低，在不同溫度下進行金屬材料的靜拉伸試驗時，可以發現，隨著試驗溫度的升高，屈服平臺消失，而且材料所能承受的最大載荷也降低。圖
    （2）       塑性增大。
    在高溫條件下，影響材料機械性能的因素增多，不僅溫度有影響，應變速度，斷裂所需時間也有影響。

6.1. 金屬材料的蠕變形象

6.1.1.        蠕變現象
蠕變：金屬材料在長時間的恒溫、恒應力作用下，發生緩慢的塑性變形。
碳素鋼超過300～350℃，合金鋼超過400～450℃發生
蠕變曲線：三個階段
oa開始部分，加載引起的瞬時變形
ab第1階段，速度大，不穩定階段，減速階段，τ1，ε1
bc第2階段，穩定階段，等速階段τ2，ε2
cd第3階段，最后階段，加速階段τ3，ε3，不能計入元件壽命期。

6.1.2.        蠕變曲線的表示方式
數學模型，主要表示第一階段和第二階段
蠕變條件下蠕變速度隨時間變化可用下式來表示
  其中A，n為外界條件與材料性質的常數

第一階段兩種式子

第二階段

6.1.3.        金屬材料在蠕變中的組織變化

6.1.3.1.  滑移

整個蠕變過程中，有滑移產生

6.1.3.2.  亞晶形成

晶粒變形不均勻破裂，形成亞晶

6.1.3.3.  晶界形變

晶界也參與形變，有時高達40-50%

6.1.4.        金屬材料的蠕變理論

蠕變是在一定的溫度和應力作用下發生的，與原子熱運動有關。原子熱運動作用大致有兩方面：

（1）       是在應力作用下原子直接大量地定向擴散

（2）       協助受阻位錯克服障礙重新運動

一方面形變硬化，一方面回復

6.1.5.        金屬材料的蠕變斷裂機理

金屬材料蠕變斷裂分2種：晶間和穿晶

穿晶：有大量塑性變形，韌性，高應力，低溫

晶間：塑性變形小，脆性，低應力，高溫

等強度溫度概念

兩種理論：楔形蠕變裂紋（三晶交界處應力集中，穿晶），空洞形（空洞在三晶交界處匯集，晶間）

6.2. 金屬材料的高溫強度

6.2.1.        條件蠕變極限

根據不同的需要有2種

（1）       給定溫度下，引起規定變形速度的應力值

（2）       一定工作溫度下，在規定時間內，使試件發生一定量總變形時的應力值

6.2.2.        高溫持久強度

在給定溫度下，經過一定時間而斷裂時所能承受的最大應力。

 表示材料在溫度t經過τ而斷裂時所能承受的最大應力

與蠕變區別：蠕變考慮變形為主，高溫持久強度主要考慮材料在長期使用下的破壞抗力。

6.3. 蠕變和持久強度的推測方法

必須進行長期試驗，應用外推方法，可大大縮短時間。

外推法：（1）總結金屬材料試驗數據，找出經驗關聯式，用以外推

（2）從微觀出發，建立應力，溫度和斷裂時間的關系式。

等溫線法：在同一試驗溫度下，用較高溫度應力進行短期試驗數據。（加大強度）

6.4. 鋼的持久塑性

是高溫條件下工作的重要指標之一。

細小碳化物（Mo2C，VC）在晶內析出，提高晶內強度，削弱晶界強度，形成低塑性的晶間斷裂。

影響因素

（1）       合金元素

加入硼強化晶界，減小有害元素S等

（2）       金相組織

珠光體-F>貝氏體>馬氏體

（3）       熱處理

奧氏體化溫度d，回火溫度a

6.5.  影響材料高溫強度性能的因素

提高材料高溫強度關鍵

（1）       使在蠕變變形過程中受到阻礙而堆積的位錯不容易重新開始運動

（2）       大力強化晶界，避免晶間開裂

6.5.1.        化學成分

6.5.1.1.  C

<0.4%高溫強度隨碳增加而增加

不同鋼種有最佳值。

6.5.1.2.  其它合金元素影響

Mo可提高材料高溫強度

V,Nb,Ti可強烈形成碳化物，在鋼中形成彌散分布的沉淀相，有良好強化效果。

P強化晶界

（1）       每種合金元素的作用與其質量分數不成正比，往往有一最佳值。

（2）       每種合金元素的質量分數越高，則單位質量分數所引起的作用越小。因而多元素，少質量分數的鋼種有良好的高溫性能

6.5.2.        冶煉方法

鋼中氣體量，晶界處的偏析，夾渣對鋼高溫性能影響大。

減小有害元素，選擇適當的冶煉方法

6.5.3.        金屬材料的組織結構

6.5.3.1.  碳化物形狀分布

片狀彌散分布熱強性好，球狀聚集不好

6.5.3.2.  晶粒度

常溫下， 細晶粒具有高強度

高溫下細晶則易蠕變， 此時有個最佳值

6.5.4.        熱處理方法

熱處理后，在常溫下使用，不發生組織變化，可行

而在高溫下，不穩定的結構組織將發生變化，使高溫性能變壞。

6.5.5.        溫度波動對鋼材高溫強度的影響

溫度對鋼和的高溫強度影響，主要有2方面

（1）       溫度的波動使實際溫度高于規定溫度

（2）       附加熱應力

6.6. 金屬材料的松馳

6.6.1.        金屬材料的松馳特性

松馳：金屬材料在高溫和應力狀態下，如果維持總變形量不變，隨著時間的延長，應力逐漸降低的現象。

如果總變形量不變，彈性變形轉變為塑性變形

應力松馳分2階段，

第1階段應力隨時間急劇降低，第2階段應力下降緩慢并趨向恒定。恒定值為松馳極限。因為松馳極限小，通常不用它來評定材料的抗松馳能力，而用一定時間內，材料中應力的降低值 來表征材料抗松馳性能。

松馳穩定系數S0，不考慮初應力，更合理。a

6.6.2.        松馳的塑性應變速度

低碳鋼只與應力有關

合金鋼在第1階段與應力和總應變有關，第2階段，只與應力有關。

6.6.3.        再緊固對松馳的影響

在動力裝置上，常采用法蘭螺栓聯接，為了保證聯接的緊密性，使用一定時間后要再次緊固。

單純松馳與再緊固松馳見下圖:

6.6.4.        應力松馳與蠕變的關系

松馳與蠕變有差別也有聯系

差別：蠕變是恒定應力下，塑性變形隨時間的延長而不斷增加的過程；松馳是恒定變形下，應力隨時間的延長不斷降低過程，此時塑性變形的增加是與彈性變形的減小等量同時發生。

聯系：本質相同，松馳也可看作是應力不斷降低時的多級蠕變。 

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