材料在高温条件下的力学性能

6.1  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 T/T _m （ T _m 表示材料熔点）， T / T _m ＞ 0.4~0.5 ，则算是高温。

民用机接近 1500℃ ，军用机在 2000℃ 左右，航天器的局部工作温度可达 2500℃

6.2  影响因素

温度对材料的力学性能影响很大。在高温下载荷持续时间对力学性能也有很大影响。

材料的高温力学性能 ≠ 室温力学性能

一般随温度升高，金属材料的强度降低而塑性增加。

载荷持续时间的影响： σ <  σ _s   ，长期使用过程中，会产生蠕变   ，可能最终导致断裂；随载荷持续时间的延长，高温下钢的抗拉强度降低；在高温短时拉伸时，材料的塑性增加；但在长时载荷作用下，金属材料的塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂；温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路径。

温度升高时，晶粒强度和晶界强度均会降低，但是由于晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此，晶界强度下降较快。

晶粒与晶界两者强度相等的温度称为 “ 等强温度 ”T _E 。

当材料在 T _E 以上工作时，材料的断裂方式由常见的穿晶断裂过渡到晶间断裂。材料的 T _E 不是固定不变的，变形速率对它有较大影响。因晶界强度对形变速率敏感性比晶粒大得多，因此 T _E 随变形速度增加而升高。

综上所述，研究材料在高温下的力学性能，必须加入温度和时间两个因素。

6.3  蠕变现象

金属在长时间恒温、恒载荷（即使应力小于该温度下的屈服强度）作用下缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。

由蠕变变形导致的材料的断裂，称为蠕变断裂 。

蠕变在低温下也会产生，但只有当约比温度大于 0.3 时才比较显著。如碳钢超过 300℃ 、合金钢超过 400℃ 时就必须考虑蠕变的影响。

同种材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同。

典型的蠕变曲线

第一阶段 ab 为减速蠕变阶段又称过渡蠕变阶段，这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长蠕变速率逐渐减小，到 b 点蠕变速率达到最小值；

第二阶段 bc 为恒速蠕变阶段又称稳态蠕变阶段，这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变。一般所指的金属蠕变速率，就是以这一阶段的蠕变速率 ε 表示的。

第三阶段 cd 为加速蠕变阶段随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，到 d 点时产生蠕变断裂。

应力、温度不同的蠕变曲线变化图

由图可见，当应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，甚至可能不产生第三阶段；相反，应力较大或温度较高时，蠕变第二阶段很短，甚至完全消失，试样很短时间内断裂。

6.4  蠕变断裂断口特征

断口宏观特征

断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹（断裂机件表面出现龟裂现象）；

高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。

断口微观特征

冰糖状花样的沿晶断裂形貌

6.5  性能指标及测定

材料的蠕变性能常采用 蠕变极限、持久强度、松弛稳定性 等力学性能指标。

6.5.1  蠕变极限

蠕变极限是金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标，是高温材料、设计高温下服役机件的主要依据之一。

蠕变极限（ MPa ）表示方法有两种，一种是在规定温度下，使试样在规定时间内产生规定稳态蠕变速率的最大应力；一种是在规定温度和时间下，使试样在规定时间内产生规定蠕变伸长率的最大应力。

示例 1 表示在温度为 500℃ 、稳态蠕变速率为 1×10-5%/h 时该材料的蠕变极限为 80MPa ；

示例 2 表示在温度为 500℃ 、 10 万小时、蠕变伸长率为 1% 时该材料的蠕变极限为 100 MPa 。

蠕变测试设备及示意图

在同一   温度、不同应力条件下进行蠕变试验，测出不少于 4 条蠕变曲线，根据测定结果作出蠕变曲线，曲线上直线部分的斜率即是蠕变速率；

根据获得的应力 - 蠕变速率数据，在对数坐标上作出关系曲线；

可采用较大的应力，以较短的试验时间作出几条蠕变曲线，根据所测定的蠕变速率，用内插法或外推法求出规定蠕变速率的应力值，即得到蠕变极限。

同一温度下，蠕变第二阶段应力 σ 与稳态蠕变速率 ε 之间，在双对数坐标中呈线性经验关系。

S-590 合金的 σ -   ε 曲线

(20.0% Cr, 19.4 %Ni, 19.3%Co, 4.0%W, 4.0%Nb, 3.8%Mo, 1.35%Mn, 0.43%C)

6.5.2  持久强度

持久强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力，即材料在一定温度和时间条件下，不发生蠕变断裂的最大应力（蠕变极限指材料的变形抗力，持久强度表示材料的断裂抗力）。

某些材料与机件，蠕变变形很小，只要求在使用期内不发生断裂（如锅炉的过热蒸汽管）。这时，就要用持久强度作为评价材料、机件使用的主要依据。

S-590 合金持久强度曲线

金属材料的持久强度是通过做高温拉伸持久试验测定的；

试验过程中，不需要测定试样的伸长量，只要测定试样在规定温度和一定应力作用下直至断裂的时间；

对于设计寿命较长（数万 ~ 数十万小时以上）的机件，长时间试验十分困难，所以一般作出应力较大、断裂时间较短的试验数据，采用外推法求出材料的持久强度。

外推经验公式： t = A σ ^-B

(t— 断裂时间， σ— 应力， A 、 B— 与试验温度及材料有关的常数 )

对上面公式取对数，得到：

log t =log A -Blog σ

作出 log t -log σ 图，由直线关系可从断裂时间短的数据，外推到长时间的持久强度。

6.5.3  剩余应力

材料在恒变形条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。

金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性，可以通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。

剩余应力是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。

剩余应力越高，松弛温度性越好 。

应力松弛曲线

第 1 阶段：开始阶段应力下降很快；

第 2 阶段：应力下降逐渐减缓的阶段；

松弛极限：在一定的初应力和温度下，不再继续发生松弛的剩余应力。

6.5.4  高温力学性能的影响因素

由蠕变变形和断裂机理可知，要提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速率；提高持久强度，则必须控制晶界的滑动和空位扩散。

高温力学性能的影响因素： 化学成分、冶炼工艺、热处理工艺、晶粒度 。

6.6  相关标准