高温下材料的其他力学性能分析

6.8.3.1 高温短时拉伸性能

评定耐热材料的力学性能时，虽然短时拉伸性能不如蠕变和持久强度重要，但是如果工作时间很短（例如火箭、导弹中的某些零件），或零件工作温度不高（在400℃以下使用的钢铁材料），且蠕变现象并不起决定作用，以及检查材料的热塑性等情况时，短时高温拉伸性能有重要的意义。

简单的高温拉伸试验可在普通的拉伸试验机上进行，只需附加加热与测量装置和耐高温的试样夹具及引伸计，即可测定高温的抗拉强度、屈服强度、弹性模量、伸长率和断面收缩率等拉伸性能指标。但高温短时拉伸时，试验温度和载荷持续的时间或拉伸速度对性能有显著影响，特别是加载速度和载荷持续时间及温度波动（例如±5℃）的影响更大。一般高温下的加载时间和持续时间比常温下要长。常温拉伸试验的加载速度通常为5～10MPa/s，高温短时拉伸加载速度较慢，一般为2.5～3MPa/s。高温加载持续时间一般以20～30min为宜，否则会带来较大误差。

6.8.3.2 高温硬度

高温硬度用于衡量材料在高温下抵抗塑性变形的能力。对于高温轴承以及某些在高温下工作的工模具材料，高温硬度是重要的质量指标。随着高温合金的开发，特别是高温陶瓷材料的开发，这方面的知识已获得广泛的应用。

高温硬度试验首先遇到的是压头问题。压头的必要条件是在高温下仍能保持足够的硬度并十分稳定，与试样不发生化学反应等。

一般布氏硬度试验采用耐热钢、硬质合金或特殊陶瓷材料制成的压头。

金刚石压头虽经常使用，但必须注意，因被测试样种类的不同，不能应用的场合也不少。例如，600℃附近与钢材发生反应，1000℃时与纯铁发生粘着，在900℃反复试验几十次后压头便变钝损坏，在850℃以上易与Ti和Cr发生化学反应等。

图6-186 各种材料经1000h总应变约为0.2%的应力松弛曲线

金属试样常用蓝宝石压头，另外作为压头材料的还有B₄C、SiC等陶瓷材料。对一部分陶瓷材料，若不发生反应，有时甚至可以在1500℃使用。

高温硬度测定还必须注意防止氧化脱碳，必须在真空和不活泼气体（如氩、氮等）中进行，但这时要注意与大气压不同带来的影响。另外，用压痕法试验时，在高温下打压痕，冷却至室温测定压痕对角线时，要注意冷却时有没有发生相变，如果发生相变则该法就不能应用。

高温硬度值随载荷保持的时间而变化，保持时间越短，硬度值越高，因此必须在规定时间内进行测定。压头的加载速度一般为10mm/（15～20s），炉子加热速度在10℃/min以下。达到硬度测定温度后，保持2～3min再开始测量。图6-187所示的高温显微硬度计的试验温度可高达1600℃，载荷为500～5000mE。

6.8.3.3 高温疲劳、蠕变与疲劳交互作用

图6-187 高温显微硬度计

1—试样台 2—电阻炉 3—发热体 4—试样 5—热电偶 6—压头轴 7—砝码 8—压头 9—显微镜 10—玻璃 11—观察用窗 12—快门

在高温、高压下工作的许多动力机械，并不是仅仅受到静载荷作用，而是在交变应力作用下失效的，高温疲劳性能对这些构件的设计来说是十分重要的。

金属材料的高温疲劳与常温下的疲劳有其相似之处，也是由裂纹萌生、扩展和最终断裂三个过程组成。裂纹顶端的非弹性应变对上述行为起着决定作用。但是，高温下的疲劳行为有其特殊性，必须考虑高温、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。

1.温度的影响 一般地，随着温度升高，材料的疲劳强度下降。在室温时疲劳曲线上有一水平部分，但在高温下不出现水平部分，疲劳强度不断下降。图6-188所示为GH32型镍基高温合金在不同温度下的疲劳曲线。在高温时，由于合金组织弱化，疲劳曲线在低应力部分更剧烈地下降，所以在高温下只存在条件疲劳极限。

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图6-188 GH32型镍基高温合金在不同温度下的疲劳曲线

随着温度升高，在疲劳中蠕变的成分逐步增加，这时必须同时考虑疲劳和蠕变的作用。如图6-189所示，随温度升高，疲劳强度的下降比持久强度下降得慢，所以它们产生一交点，低于交点的零件以疲劳破坏为主；高于交点的零件以持久断裂为主。不同材料有不同的交点温度。

图6-189 疲劳强度和持久强度的关系

2.时间的影响 时间的影响包括循环速度（频率）v、应变速度ε·、应力和应变波形等。一般在高温下，频率的变化会大大影响裂纹的萌生和扩展的循环周次。图6-190所示为频率与温度对不同滑移材料疲劳寿命的影响。

图6-191所示为加载波形和保持时间对疲劳寿命的影响。由该图可见，在循环拉伸侧保持一段时间，使疲劳寿命下降。实际上，如果要综合考虑温度、时间对高温疲劳的影响，必须同时考虑蠕变与疲劳两者以及它们之间的相互作用，即由两者的综合作用引起的构件失效。

图6-190 频率与温度对不同滑移材料疲劳寿命的影响（T₃＞T₂＞T₁＞T₀）

a）波纹状滑移材料（如低碳钢、镍、铝等）

b）平面状滑移材料（如不锈钢、镍基高温合金、钛等）

图6-191 加载波形和保持时间对疲劳寿命的影响

3.蠕变与高温疲劳的交互作用 在高温下工作的许多实际工程构件，如燃气轮机、核反应堆零部件、化学高温容器等，在工作时虽承受了循环应力或循环应变载荷的作用，但设计时不能仅单一地按疲劳或蠕变的设计准则，必须考虑两者的交互作用。

蠕变与疲劳的相互作用，目前已提出许多理论，如线性损伤累积理论、应变分区理论、塑性耗竭理论等。下面简单介绍线性损伤累积理论。该理论认为：蠕变引起的损伤ϕ_c与疲劳引起的损伤ϕ_f是独立的，两种损伤可以相互叠加（ϕ_f+ϕ_c），当它们达到材料允许极限损伤ϕ_r时，材料便失效。因此设计准则为

ϕ_f+ϕ_c≤ϕ_r（6-112）该式可进一步表示为

式中 N_d和T_d——分别表示允许的循环次数和允许的蠕变断裂时间；

n——实际循环次数；

t——实际蠕变时间。

式（6-113）是Palmgrem-Miner经典损伤法则的表达式。