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(qū)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(xiàn)象
蠕變：金屬材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形。
碳素鋼超過300～350℃，合金鋼超過400～450℃發(fā)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(wěn)定階段，減速階段，τ1，ε1
bc第2階段，穩(wěn)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(shù)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(zhì)的常數(shù)
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(chǎn)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(yīng)力作用下發(fā)生的，與原子熱運動有關(guān)。原子熱運動作用大致有兩方面：
（1） 是在應(yīng)力作用下原子直接大量地定向擴散
（2） 協(xié)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(yīng)力，低溫
晶間：塑性變形小，脆性，低應(yīng)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(yīng)力集中，穿晶），空洞形（空洞在三晶交界處匯集，晶間）
6.2.1. 條件蠕變極限
根據(jù)不同的需要有2種
（1） 給定溫度下，引起規(guī)定變形速度的應(yīng)力值
（2） 一定工作溫度下，在規(guī)定時間內(nèi)，使試件發(fā)生一定量總變形時的應(yīng)力值
6.2.2. 高溫持久強度
在給定溫度下，經(jīng)過一定時間而斷裂時所能承受的最大應(yīng)力。
表示材料在溫度t經(jīng)過τ而斷裂時所能承受的最大應(yīng)力
與蠕變區(qū)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。
必須進行長期試驗，應(yīng)用外推方法，可大大縮短時間。
外推法：（1）總結(jié)金屬材料試驗數(shù)據(jù)，找出經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，用以外推
（2）從微觀出發(fā)，建立應(yīng)力，溫度和斷裂時間的關(guān)系式。
等溫線法：在同一試驗溫度下，用較高溫度應(yīng)力進行短期試驗數(shù)據(jù)。（加大強度）
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(nèi)析出，提高晶內(nèi)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
提高材料高溫強度關(guān)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(zhì)量分數(shù)不成正比，往往有一最佳值。
（2） 每種合金元素的質(zhì)量分數(shù)越高，則單位質(zhì)量分數(shù)所引起的作用越小。因而多元素，少質(zhì)量分數(shù)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?shù)囊睙挿椒?/span>
6.5.3. 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)
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(fā)生組織變化，可行
而在高溫下，不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)組織將發(fā)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(guī)定溫度
（2） 附加熱應(yīng)力
6.6.1. 金屬材料的松馳特性
松馳：金屬材料在高溫和應(yīng)力狀態(tài)下，如果維持總變形量不變，隨著時間的延長，應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象。
如果總變形量不變，彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?/span>
應(yīng)力松馳分2階段，
第1階段應(yīng)力隨時間急劇降低，第2階段應(yīng)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(nèi)，材料中應(yīng)力的降低值
來表征材料抗松馳性能。
松馳穩(wěn)定系數(shù)S0，不考慮初應(yīng)力，更合理。a
6.6.2. 松馳的塑性應(yīng)變速度
低碳鋼只與應(yīng)力有關(guān)
合金鋼在第1階段與應(yīng)力和總應(yīng)變有關(guān)，第2階段，只與應(yīng)力有關(guān)。
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(lián)接，為了保證聯(lián)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(yīng)力松馳與蠕變的關(guān)系
松馳與蠕變有差別也有聯(lián)系
差別：蠕變是恒定應(yīng)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(yīng)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(fā)生。
聯(lián)系：本質(zhì)相同，松馳也可看作是應(yīng)力不斷降低時的多級蠕變。
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