mechanicalproperties-7.

7高温及环境下的材料力学性能USTL高温:是指机件的服役温度超过金属的再结晶温度。在这样的温度下长时服役，材料的微观结构、形变和断裂机制都会发生变化。室温下具有优良力学性能的材料不一定能满足机件在高温下长时服役对力学性能的要求。因为材料的力学性能随温度变化规律各不相同。形变金属在高温下要发生回复、再结晶，同时，在变形过程中引入的大量缺陷(如空位、位错等)也随之发生变化，表现出残余内应力的消除、多边形化和亚晶粒合并等现象。在性能上，一般随温度的升高，强度降低，而塑性增加。材料在高温下的性能除与加载方式、载荷大小有关外，还受载荷持续时间的影响。因此，考虑高温强度因素对结构设计来说，也成为一个很重要的方面。另外，在高温作用下，构件环境介质的腐蚀活性随温度升高而很快增加，这种腐蚀介质大大加速了高温下的裂纹生成与扩展。材料的高温力学性能指标有蠕变极限、持久强度、应力松弛稳定性、高温短时拉伸及高温硬度、高温疲劳以及疲劳与蠕变交互作用性能等。本章主要介绍和讨论高温蠕变现象、蠕变曲线、蠕变过程中材料显微组织的变化、特性和断裂机制，以及材料的应力腐蚀与氢脆相关的内容。USTL7.1材料的蠕变7.1.1蠕变现象和蠕变曲线材料在高温和恒应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形，这种现象称为材料的蠕变。由于这种变形而导致材料的断裂称为蠕变断裂。材料不同，发生蠕变的温度也不同，如铅、锡等低熔点金属在室温就会发生明显的蠕变现象，而碳钢要在400℃左右、高温合金在500℃以上才出现蠕变现象。在工程上，一般都是指的高温蠕变，蠕变温度在0.5Tm以上。材料蠕变可以发生于各种应力状态，可以在一种应力下发生，也可以在复合应力作用下发生。但通常以拉伸条件下的指标表示其抗蠕变性能，蠕变试验采用静力法，即在试验温度不变的前提下，载荷保持恒定。USTL7.1材料的蠕变Oa线段是试样在t温度下承受恒定拉应力σ时所产生的起始伸长率δ0。它是载荷引起的瞬时应变，是外加载荷引起的一般过程，不是蠕变。蠕变曲线大致可以分为三阶段：曲线ab区是蠕变第Ⅰ阶段，该阶段开始时，蠕变速率较大，随时间延长，蠕变速率逐渐减小到b点，达最小值，该阶段被称为减速蠕变阶段或过渡蠕变阶段；曲线bc区称为第Ⅱ阶段，蠕变速率保持不变，说明硬化与软化相平衡，该阶段蠕变速率最小，通常称为稳态蠕变或恒速蠕变阶段；曲线cd区称为第Ⅲ阶段，蠕变速率随时间延长，又开始增大，最后导致失稳断裂，该阶段又被称为加速蠕变阶段。USTL7.1材料的蠕变对同一种材料，蠕变曲线形状随应力、温度变化而变化，温度升高或应力升高，曲线第Ⅱ阶段缩短。在高温或高应力下，甚至没有第Ⅰ或Ⅰ，Ⅱ阶段，只有第Ⅱ或Ⅱ，Ⅲ阶段，而在另一些情况，如低应力低温度下，只有第Ⅰ，Ⅱ阶段，即断裂，而没有第Ⅲ阶段。USTL7.1材料的蠕变蠕变曲线解析式：0n求导，有：1nn因为0＜n＜1，所以当很小时，即开始蠕变时，第一项起主导作用，它表示应变速率随时间t延长而下降，即第Ⅰ阶段蠕变；当很大时，第二项逐渐起主导作用，应变速率接近恒定值，即第Ⅱ阶段蠕变。ε0，α，β和n值是与温度、应力及材料性质有关的常数，其中，α的物理意义是第Ⅱ阶段的蠕变速率。USTL7.1材料的蠕变对于金属材料，在蠕变过程中，通常滑移仍是一个主要现象。在缓慢蠕变变形的同时，有时还会出现回复现象。第Ⅰ阶段就能观察到亚晶形成；第Ⅱ阶段，亚晶逐渐完整，尺寸增大到一定程度后，一直到第Ⅲ阶段，保持不变。亚晶尺寸一般随应力下降和温度上升而有所增大。按蠕变期间是否发生回复再结晶，将蠕变分为两类：低温蠕变，完全不发生回复和再结晶；高温蠕变，同时进行回复和再结晶，其再结晶温度比通常的再结晶温度低，并且不一定回复完成后，才开始再结晶。此外，金属材料的组织在蠕变过程中可能会出现一些复杂变化。如镍基高温合金在高温下工作一段时间后，碳化物会沿滑移线聚集、γ′强化相粗化、在基体内析出针状η相、σ相和μ相等。7.1.2蠕变过程组织结构变化USTL7.2蠕变变形及断裂机制从机制上，蠕变变形可分为位错滑移蠕变、扩散蠕变和晶界滑动蠕变三种。(1)位错滑移蠕变蠕变变形过程中，位错滑移仍是一种重要的变形机制。高温蠕变中的滑移变形与室温下基本相同。但在高温下，会出现新的滑移系，例如，高温下，面心立方晶体中会出现{100}110和{211}110滑移，锌和镁出现非基面的滑移系，而且滑移系不像室温下那样均匀分布。当位错因受到各种障碍阻滞产生塞积，滑移不能继续进行，只有施加更大的外力，才能引起位错重新运动和继续变形，这就出现了硬化；受恒应力作用的位错在高温下可借助外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些障碍，从而使变形不断产生，出现软化。位错热激活方式有多种，如螺位错交滑移、刃位错攀移、带割阶位错靠空位和原子扩散运动等。高温下，位错热激活主要是刃位错的攀移。刃位错攀移克服障碍有几种模型7.2.1蠕变变形机制USTL7.2蠕变变形及断裂机制(2)扩散蠕变在高温低应力条件下，会发生以原子作定向流动的蠕变现象，即扩散蠕变。金属材料受拉应力时，多晶体内存在不均匀应力场。对承受拉应力的晶界(如晶界A，B)，空位浓度增大，对承受压应力的晶界(如晶界C，D)，空位浓度减小，因而空位将从受拉应力的晶界到受压应力的晶界迁移，原子则向相反方向流动，致使晶体逐渐伸长。7.2.1蠕变变形机制USTL7.2蠕变变形及断裂机制(3)晶界滑动蠕变常温下，晶界滑动极不明显，可以忽略。但在高温下，由于晶界上原子易于扩散，受力后易于产生滑动，故而促进蠕变进行。随温度提高，应力减小，晶粒尺寸减小，晶界滑动对蠕变变形的影响增大。但总体来说，晶界滑动在总蠕变量中所占比例不大，在10%左右。晶界滑动有两种：一种是晶界两边晶界沿晶界相错动；另一种是晶界沿其法线方向迁移。7.2.1蠕变变形机制USTL7.2蠕变变形及断裂机制金属材料在高温持久载荷作用下，多数为沿晶断裂。由此可推断蠕变造成的损伤主要产生在晶界。7.2.2蠕变损伤和断裂机制USTL7.2蠕变变形及断裂机制晶界裂纹的形成方式主要有两种：①在三晶界交汇处，形成楔形裂纹，通常，多出现在高应力较低温度下。②在晶界形成空洞，空洞连接成为裂纹。这种裂纹一般在低应力较高温度条件下形成。其形成位置往往处于与外加拉应力垂直的晶界上。7.2.2蠕变损伤和断裂机制USTL7.3蠕变、持久强度极限①在规定温度(t)下，使试样产生规定的稳态蠕变速率的最大应力。7.3.1蠕变极限和持久强度极限550011060aMP应变速率1×10－5％/h500oC②在规定温度(t)和规定的试验时间τ内，使试样产生规定的总应变量δ的最大应力σ56001/10100aMP600oC总伸长率1％105hUSTL持久极限：在规定温度(t)下，达到规定的持续时间抵抗断裂的最大应力。7.3.1蠕变极限和持久强度极限560010200aMP600oC105h7.3蠕变、持久强度极限USTL(1)等温线外推法在同一温度下，由较高的不同应力下的短期数据，用应力和断裂时间(或蠕变速率)的既定关系，外推较小应力下的长期蠕变极限或持久强度极限。实验温度一般选择部件的工作温度，在这一实验温度下，选择一些实验应力，得到相应的蠕变速率或断裂时间，以一定的坐标进行直线外推，得到蠕变极限或持久强度极限。7.3.2外推法7.3蠕变、持久强度极限(2)时间－温度参数法这种方法的出发点是提高试验温度，以缩短试验时间，即在一定应力下，由较高温度下的短期蠕变试验数据来推断在较低温度下的长期蠕变数据。USTL高温下(通常指再结晶温度以上)，材料的疲劳与室温下的疲劳相似，也由裂纹萌生、扩展和最终断裂三个阶段组成。裂纹尖端的非弹性应变对上述行为起着决定作用。但高温疲劳有其自身特点，还必须考虑温度、时间、环境气氛和疲劳过程中金属组织变化等因素的综合作用，因此，它比常温疲劳复杂得多。无论是光滑试样，还是缺口试样，一般随温度升高，疲劳强度降低。例如，钢在300℃以上，每升高100℃，疲劳抗力下降约15%～20%；耐热合金下降5%～10%。但有些合金，因高温下的物理化学过程，可能在某温度区域疲劳抗力回升，如应变时效合金有时会出现这种现象。7.4疲劳与蠕变的相互作用USTL7.8应力松弛材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性，可用松弛曲线来评定。松弛曲线第一阶段的晶粒间抵抗应力松弛的能力用温度系数S0表示。S0=σ0′/σ0，式中σ0为初始应力，σ0′为松弛曲线第二阶段的初始应力。USTL7.8应力松弛USTL7.9影响高温性能的因素化学成分耐热钢及耐热合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。这是因为在一定温度下，熔点越高的金属，自扩散激活能越大，因而自扩散越慢；层错能越低的材料，越容易形成扩展位错，使位错越难以产生割阶、交滑移及攀移，这将有利于降低蠕变速率。面心立方结构金属(如Ni)层错能低，所以镍基合金高温性能稳定性比铁基合金高。在基体金属中加入Cr，Mo，W，Co，Nb等合金元素，形成单相固溶体，除产生固溶强化外，还将降低层错能。一般来说，溶质熔点越高，其原子半径与溶剂金属原子相差越大，越有利于提高热强性。冶炼工艺晶粒度USTL7.10环境介质作用下的力学性能金属机件(或构件)在服役过程中，经常要与周围环境中的各种介质相接触。环境介质对金属材料力学性能的影响，称为环境效应。由于环境效应的作用，金属所承受的应力即使低于其屈服强度，也会产生突然脆断的现象，即为环境断裂。7.10.1应力腐蚀金属在拉应力和特定的环境介质作用下，经过一段时间，所产生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂。在工业上，最常见的有：低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”和在含有硝酸根离子介质中的“硝脆”，奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆”，铜合金在氨气环境下的“氨脆”，以及高强度铝合金在空气、蒸馏水中的脆裂现象等。上面所列举的金属材料无论是韧性的或脆性的，都会在没有明显预兆的情况下产生脆断，常常造成灾难性事故。所以，应力腐蚀断裂是一种较为普遍的而且是极为危险的断裂形式。USTL7.10环境介质作用下的力学性能应力、环境介质和金属材料三者是产生应力腐蚀断裂的影响条件。①应力。中起作用的是拉应力。焊接、热处理或装配过程中产生的残余拉应力在应力腐蚀断裂中也有重要作用。②环境介质。某种金属材料，只有在特定的介质中，才能产生应力腐蚀。③一般认为，纯金属不会产生应力腐蚀，所有合金对应力腐蚀都有不同程度的敏感性。但在每一种合金系列中，都有对应力腐蚀不敏感的合金成分。USTL7.10环境介质作用下的力学性能由于氢和应力的联合作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂。(1)氢蚀这是由于氢与金属中的第二相作用，生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。(2)白点(发纹)这是由于钢中含有过量的氢，随着温度降低，氢的溶解度减小，但过饱和的氢未能扩散外逸，因而在某些缺陷处聚集成氢分子。此时，体积发生急剧膨胀，内压力很大，足以把材料局部撕裂，而使钢中形成白点。(3)氢化物致脆在纯钛、α－Ti合金、钒、锆、铌及其合金中，它们与氢有较大的亲和力，极易形成氢化物，使塑性、韧性降低，产生脆化。(4)氢致延滞断裂高强度钢或α+βTi合金中含有适量的处于固溶状态的氢(原来存在的或从环境介质中吸收的)，在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在内部特别是在三向拉应力区，形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象，称为氢致延滞断裂。7.10.2氢脆USTL7.10环境介质作用下的力学性能腐蚀疲劳是机件在腐蚀介质中承受交变载荷所产生的一种破坏现象，它是材料受疲劳和腐蚀两种作用造成的。特点：①腐蚀环境不是特定的。只要环境介质对材料有腐蚀作用，再加上交变应力的作用，都可产生腐蚀疲劳。②腐蚀疲劳曲线无水平线段，即不存在无限寿命的疲劳极限。③腐蚀疲劳极限与静强度之间不存在比例关系。④腐蚀疲劳断口上可见到多个裂纹源，并具