材料在高温条件下的力学性能

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/Tm（Tm表示材料熔点），T/Tm＞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℃

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《σs ，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”TE。当材料在TE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TE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TE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。

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。

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

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。

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100MPa。

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）

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-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：

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。

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。

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。

合金化学成分的影响

耐热钢及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。熔点越高的金属（Cr、W、Mo、Nb），自扩散越慢；

层错能低，易形成扩展位错，位错难以交滑移、攀移；

弥散相能强烈阻碍位错的滑移、攀移；

能增加晶界扩散激活能的添加元素（如硼及稀土），既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹的表面能；

面心立方结构的材料比体心立方结构的高温强度大。

冶炼工艺的影响

降低夹杂物和冶金缺陷的含量；

通过定向凝固工艺，减少横向晶界，提高持久强度，因为在横向晶界上容易产生裂纹。

热处理工艺的影响

珠光体耐热钢一般采用正火＋高温回火工艺。回火温度应高于使用温度100~150℃以上，以提高其在使用温度下的组织稳定性；

奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶和时效处理，使之得到适当的晶粒度，并改善强化相的分布状态；

采用形变热处理改变晶界形状（形成锯齿状），并在晶内形成多边化的亚晶界，可使合金进一步强化。

晶粒度的影响

晶粒大小：使用温度＜等强温度时，细晶粒钢有较高的强度，反之使用温度＞等强温度时，粗晶粒钢有较高的蠕变抗力与持久强度；

晶粒度不均匀：在大小晶粒交界处出现应力集中，裂纹就易于在此产生而引起过早的断裂。

审核编辑 ：李倩