金属的高温力学性能：蠕变极限和持久强度

金属材料的力学性能也称金属的机械性能，是指金属材料在外力作用下所表现出来的抵抗变形和破坏的能力以及接受变形的能力。它是设计零件和选用材料时的主要依据，也是控制材料质量的重要参数。

外力又称外部载荷，主要有静载荷、冲击载荷和交变载荷。静载荷指载荷随时间不变或变化不大的载荷；冲击载荷指在较短时间内发生极大变化的载荷；交变载荷指载荷的大小或方向随时间呈周期性变化。

（一）金属材料的常温力学性能

金属材料在不同外力下，衡量材料能力的指标不一样，常温力学性能的主要指标包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。

1.强度和塑性

强度是衡量材料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。塑性是衡量材料在外力作用下接受变形的能力。

拉伸试验是测定强度和塑性的最普遍方法，该试验依据国家标准（目前通用的标准为GB/T228—2002）进行，它是将材料制作成标准试样或比例试样，在万能实验机上沿试样轴向缓慢地施加拉力，试样随拉力的增加而变形，直至断裂，测得材料的弹性极限、屈服极限、强度极限及塑性等主要机械性能指标。

（1）拉伸试样。试样的形状和尺寸取决于要被试验的金属产品的形状与尺寸。通常的形状有圆形、矩形、多边形、环形等。图2-1为圆形试样，图中d0为试样直径，S0为原始横截面积，L0为试样的测量长度，称为标距。试样的原始标距与原始横截面积有关系者称为比例试样，国际上使用的比例系数k的值为5.65。原始标距不小于15mm，当试样横截面积太小以致比例系数k为5.65的值不能符合这一最小标距要求时，可以采用较高值（优先采用11.3的值）或非比例试样。非比例试样其原始标距与原始横截面积无关。试样拉断后，du为断口处最小直径，Su为此处最小横截面积，Lu为断后标距。

图2-1　拉伸试样

（a）原始试样；（b）拉断后的试样

（2）拉伸曲线。拉伸曲线表示试样拉伸过程中力和变形关系，可用应力—延伸率曲线表示，纵坐标为应力R，R=F/S0，横坐标为延伸率ε，ε=ΔL/L0。拉伸曲线的形状与材料有关，图2-2为塑性材料（如低碳钢）的拉伸曲线，由图可见，在载荷小的Oa阶段，试样在载荷F的作用下均匀伸长，伸长量与载荷的增加成正比。如果此时卸除载荷，试样立即回复原状，即试样产生的变形为弹性变形。当载荷超过b点以后，试样会进一步产生变形，此时若卸除载荷，试样的弹性变形消失，而另一部分变形则保留下来，这种不能恢复的变形称为塑性变形。当载荷达到Fs时，此时载荷保持不变甚至略有减小，而试样的变形却继续增加，拉伸曲线上出现水平线或锯齿线，这种现象称为“屈服”，载荷超过Fs时，试样出现大量的、均匀的塑性变形。与此同时，材料的塑性变形抗力不断增加，因此，载荷必须不断增加，直至e点。随后在试样标距内某局部区域的直径迅速变细，产生所谓“颈缩”现象，此时试样抵抗载荷的能力随之下降，直至f点发生断裂。

图2-2　退火低碳钢的拉伸曲线

（3）强度。强度是材料抵抗塑性变形或断裂的能力。通过拉伸试验所测得的常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。

屈服强度是材料产生屈服时对应的应力值。用符号Re表示，单位是N/mm2或MPa，的载荷与试样原始横截面积的比值，即

式中 Fs——材料屈服时的载荷，N；

S0——试样原始横截面积，mm2。

屈服强度可分为上屈服强度和下屈服强度，上屈服强度是指试样发生屈服而外力首次下降前的最高应力，用符号ReH表示；下屈服强度是指试样屈服期间，不计初始瞬时的最低应力值，用符号ReL表示。一般机械零件和工程构件都不允许在使用中产生塑性变形，否则会因失效而发生事故，所以屈服强度是机械设计和工程设计中的重要依据。

抗拉强度是材料在拉断前所承受的最大应力值。用符号Rm表示，单位是N/mm2或MPa，其大小为材料最大载荷与试样原始横截面积的比值表示，即

式中 Fb——材料屈服时的载荷，N；

S0——试样原始横截面积，mm2。

（4）塑性。金属材料的塑性指金属材料产生塑性变形而不破坏的能力。拉伸试验所测得的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。

断后伸长率，又称延伸率，指试样被拉断后，其标距部分所增加的长度与原标距的比值的百分率。即

式中 Lu——试样被拉断后标距的长度；

L0——试样原始标距。

标准试样的断后伸长率用A表示，对于比例试样，A应附下脚注说明所使用的比例系数，例如A11.3表示原始标距的断后伸长率。对于非比例试样，符号A应附以下脚标注说明所使用的原始标距，以mm表示，例如，A80mm表示原始标距L0为80mm的断后伸长率。

断面收缩率指试样拉断后截面积的收缩量与原截面积之比的百分率，叫金属材料的断面收缩率，用符号Z表示，即

A、Z的数值愈大，则材料的塑性愈好。如工业纯铁A=30%～50%；Z=70%～80%；而20钢A=25%；Z=55%。由此可见，工业纯铁的塑性比20钢好，塑性好的金属材料更便于进行各种压力加工，如轧制、锻造、冷冲、冷弯等。

2.硬度

金属材料的硬度通常是指材料表面抵抗更硬物体压入时所引起局部塑性变形的能力。它是金属材料的一个重要性能指标，是同强度和塑性密切相关的综合性指标。

硬度试验简单易行，也不损坏零件，所以在生产和科研中应用很广。常见的硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）和里氏硬度（HL）等。

（1）布氏硬度（HB）。布氏硬度用一定的载荷F（kgf）将一定直径D（mm）的球形压头压入试样表面，保持一定时间后，将载荷卸除，试样表面留下压痕，见图2-3。测出压痕平均直径d（mm），求出压痕表面积S（mm2），载荷F除以压痕面积S所得值即为布氏硬度，硬度值也可根据所测的压痕直径d查表得出，单位常省略，布氏硬度用符号HB表示：

其中

压头的材质有淬火钢球或硬质合金两种，当压头材质为淬火钢球时，布氏硬度用HBS表示，适用于测量布氏硬度不大于450的材料；当压头材质为硬质合金时，布氏硬度用HBW表示，适用于测量布氏硬度在450～650范围内的材料。

图2-3　布氏硬度测量原理

布氏硬度值的表示方法为：硬度值+硬度符号+球体直径/+载荷/+载荷保持时间（10～15s不标注）。例如，180HBS10/1000/30，表示直径10mm的钢球在1000kgf作用下，保持30s测得的布氏硬度值为180。

（2）洛氏硬度（HR）。洛氏硬度测量原理如图2-4所示，用一定载荷将压头压入材料表面，根据压痕深度表示硬度值。根据压头和载荷的不同，洛氏硬度分HRA、HRB、HRC，试验规范见表2-1。

图2-4　洛氏硬度测量原理

表2-1　常用洛氏硬度试验条件

（3）维氏硬度（HV）。维氏硬度测量原理如图2-5所示，用一定的载荷将锥面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，试样表面就留下压痕，测量压痕对角线的长度，计算压痕表面积，载荷F除以压痕面积S所得值即为维氏硬度，维氏硬度用符号HV表示，计算公式如下

图2-5　维氏硬度测量原理

维氏硬度也可按对角线的d值从表中查出，d值为两对角线的算术平均值。维氏硬度的结果表示方法为：硬度值+HV+试验载荷/+载荷保持时间（10～15s不标注）。例如，640HV30/20表示在试验力30kgf作用下保持载荷20s测定的维氏硬度值为640。

（4）里氏硬度（HL）。里氏硬度用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定的速度冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算硬度值。计算公式如下(www.xing528.com)

式中 vR——冲击体回弹速度；

vA——冲击体冲击速度。

根据冲击体质量和冲击能量的不同，里氏硬度分HLD、HLDC、HLG和HLC。表示方法为硬度值+冲击装置类型，例如700HLD表示用D型冲击装置测定的里氏硬度值为700。

布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和里氏硬度各有优缺点，布氏硬度由于压痕面积较大，能反映较大范围内的平均硬度，所以测量结果具有较高的精度和稳定性。但操作费时，对试样表面有一定破坏。洛氏硬度操作简单，可以直接读出硬度值，且压痕小，不伤工件。缺点是所测硬度值的离散性较大。维氏硬度的载荷小、压痕浅，广泛用于测定薄工件表面硬化层。里氏硬度操作简单，便携性好，广泛用于现场硬度测量。

各种硬度试验因其试验条件的不同而不能直接换算，需要查阅专门的表格进行换算比较。

硬度是材料的重要性能之一，一般情况下，材料的硬度高，其耐磨性能也较好。材料的硬度与强度之间也有一定的关系，例如，对于未淬硬钢，布氏硬度与抗拉强度间存在如下的近似换算关系

Rm≈0.362HBS （当HBS＜175）

Rm≈0.345HBS （当HBS＞175）

3.冲击韧性（αk）

冲击韧性是衡量材料抵抗冲击载荷能力大小的指标，常用冲击实验测定。冲击试样如图2-6所示，尺寸为10mm×10mm×55mm，有一V形或U形缺口。冲击实验原理如图2-7所示，试验时，将缺口背对摆锤刃放置在试验机的试验台上，把摆锤提起直一定高度h1后释放，摆锤将试样冲断后又升到h2高度。摆锤冲断试样所做的功Ak可从试验机刻度盘上直接读出。冲击韧性是试样缺口处截面上单位面积所消耗的冲击功。冲击韧性用αk表示，计算公式如下

式中 Ak——试样冲断时所消耗的冲击功，J；

S——试样缺口处截面积，cm2。

图2-6　冲击试样

图2-7　冲击试验原理

对于标准试样，通常都直接用Ak表示其韧性。

影响冲击韧性值大小的因素有材料的化学成分、冶金质量、组织状态、表面质量和内部缺陷等。另外，金属材料的冲击韧性随温度的降低而下降。

上面介绍了金属材料的强度、塑性、硬度、韧性等最基本的机械性能指标，实际上这四者中真正独立的是强度和塑性，硬度与强度有极为密切的关系，韧性是受强度和塑性的综合影响；因此，在鉴别金属材料的机械性能时，常常是以强度和塑性为主要指标。

4.疲劳强度

金属材料在远低于其屈服极限的交变应力长期作用下发生的断裂现象，称为金属的疲劳，汽轮机的轴和叶片等零部件的损坏，多以金属疲劳损坏的方式失效。

疲劳失效的断口有明显的特征，一般由两个明显的部分组成，见图2-8所示。图中A为疲劳源；D区为疲劳裂纹发展区；G区为瞬时断裂区。疲劳裂纹发展区的特征表面较光滑，另外，裂纹向前扩展时，表面形成类似年轮的贝壳纹。瞬时脆性破断区特征是断口较粗糙。

图2-8　疲劳断口示意图

金属材料可经无限次应力循环而不破坏的最大应力值称为材料的疲劳极限（强度）。它反映材料抗疲劳断裂的能力，测定金属材料的疲劳强度，普遍采用旋转弯曲式疲劳试验机，将试验结果用应力σ为纵坐标，循环次数N为横坐标，画出金属材料的疲劳强度曲线，见图2-9所示。从曲线上可以看出，交变应力σ越低，循环次数N越大，当应力降至某一定值时，曲线与横坐标平行，即表示在一定条件下，当应力的最大值低于某一定值时，材料可能经受无限次循环仍然不会发生疲劳断裂。这个最大应力值，就叫金属材料的疲劳强度。当交变应力循环对称时，疲劳强度用符号σ-1表示。

图2-9　疲劳强度曲线

通常规定，钢经过107次应力循环仍不破坏，就认为它可以经受无限次循环，此时的最大应力值就定为其疲劳极限；有色金属则规定应力循环数为108次或更多次才能确定其疲劳强度。

影响疲劳强度的因素很多，材料本身的强度、塑性、组织和材质等影响材料的疲劳强度，另外，疲劳强度还与零部件的几何形状、加工光洁度和工作环境等有关。

（二）金属的高温力学性能

钢材在高温下与室温下表现出来的机械性能有很大差别，随着温度的增加，材料的抗拉强度下降。

1.蠕变及蠕变曲线

金属在一定的温度和应力作用下，随着时间的增加，缓慢地发生塑性变形的现象，称为蠕变。碳钢当温度超过350℃，低合金钢当温度超过350～400℃，在应力的长期作用下都有蠕变现象。金属在蠕变过程中，其蠕变变形量与时间的关系通常用蠕变曲线来表示，蠕变曲线如图2-10所示。

图2-10　蠕变曲线图

从图中可以看出，其横坐标为时间，纵坐标为蠕变变形量。蠕变的变形过程分为三个阶段。Oa部分是由外载荷引起的一般变形过程，主要包括弹性变形和塑性变形，并未产生蠕变，蠕变变形主要包括ab、bc和cd三个阶段。

（1）ab阶段：蠕变第一个阶段，为蠕变减速阶段，此阶段的特点是蠕变速度开始较大，但随时间的增加蠕变速度逐渐减小。

（2）bc阶段：蠕变第二个阶段，为蠕变等速阶段，此阶段的特点是bc近似为斜直线，倾斜角度为α，通常用tgα表示材料的蠕变速度，此阶段的蠕变速度是三个阶段中最小的。

（3）cd阶段：蠕变第三个阶段，为蠕变加速阶段，此阶段的特点是蠕变加速进行，直至d点发生断裂。

温度和应力是影响蠕变曲线形状的主要因素，当温度和应力增加时，蠕变速度增加，蠕变等速阶段逐渐缩短甚至消失；反之，当温度和应力降低时，蠕变速度降低，蠕变等速阶段加长。图2-11和图2-12为温度和应力改变时蠕变曲线的形状，由此可见，温度和应力越大，蠕变速度越大。

图2-11　应力对蠕变曲线的影响

（σ4＞σ3＞σ2＞σ1）

图2-12　温度对蠕变曲线的影响

（t4＞t3＞t2＞t1）

2.蠕变强度

蠕变强度是在一定的温度下，经105h的工作时间内，发生1%的总蠕变变形量的应力值。符号为，单位是MPa，蠕变强度是衡量材料抗蠕变能力的大小。

3.持久强度

持久强度是在一定的温度下，经105h发生破坏（或断裂）时的应力值。符号为，单位是MPa，蠕变强度是衡量材料抗断裂能力的大小。

由于105h时间较长，约为12年，材料的高温持久强度试验一般不可能真正进行如此长的时间，通常只试验到5000～10000h，再外推到105h时的应力值。

蠕变极限和持久强度都是反映钢的高温性能的指标，其区别在于侧重不同，前者反映的是变形问题，即总变形量和变形速度，而后者反映的是断裂问题。在实际应用过程中，需要根据具体实际情况确定用哪个参数作为设计计算依据。如汽轮机叶片在长期运行过程中，只允许产生一定的变形量，在设计时就必须考虑蠕变强度，而锅炉中的管道等承压部件的主要失效破坏形式是断裂而不是变形，所以用持久强度来进行高温部件的强度计算更为合理。