《材料在高温持久载荷和循环载荷下的力学性能课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料在高温持久载荷和循环载荷下的力学性能课件.ppt（49页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、1,6 材料在高温持久载荷和循环载荷下的力学性能,东南大学材料学院张友法,2,6 材料在高温持久载荷和循环载荷下的力学性能,6.1 前言 6.2 高温蠕变现象和蠕变曲线 6.3 蠕变极限与持久强度 6.4 蠕变变形和断裂机理 6.5 影响蠕变极限和持久强度的主要因素 6.6 提高蠕变极限和持久强度的主要措施 6.7 应力松弛（自学）6.8 高温疲劳及疲劳与蠕变交互作用（自学）,3,高温下工作的材料,锅炉、发动机、反应容器等，长期高温工作。高温下常见现象：强度下降，材料发生蠕变(热强性)；高温氧化(抗氧化性)。,4,6.1 前言,航空航天工业，能源和化学工业的发展，对材料在高温下的力学性能提出了
2、很高的要求。,航空发动机,推力大,耗油低,推重比高,使用寿命长,提高压气机增压比和涡轮前的进口温度；其他设计方面采取的措施。,耐高温材料的研究,5,6.1 前言,所谓高温，是指构件的服役温度超过金属的再结晶温度，即0.40.5Tm，Tm为金属的熔点。在高温下长时服役，金属的微观结构、形变和断裂机制都会发生变化。室温下具有优良力学性能的材料，不一定能满足构件在高温下长时服役对力学性能的要求。材料的力学性能随温度的变化规律各不相同。评定材料的高温力学性能还要考虑时间因素，即载荷作用时间的影响。研究高温疲劳时，还要考虑加载频率，负载波形等的影响。材料在持续加载条件下产生与时间相关的塑性变形。,6,材
3、料在高温下的力学行为,高温下材料的力学性能与常温下有很大不同。,20钢,室温抗拉强度:410MPa450短时抗拉强度:330MPa450持续工作300h断裂应力230MPa450持续工作1000h断裂应力120MPa,7,材料的强度随温度的升高而降低高温下材料的强度随时间的延长而降低高温下材料的变形量随时间的延长而增加,8,6.2 高温蠕变现象和蠕变曲线,1.材料在高温和恒定应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的随时间而增长的塑性变形，这种现象称为蠕变。不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。材料在较低温度下的蠕变现象极不明显，温度升高至0.3Tm以上时，蠕变现象才会变得越来越明显。2.
4、在一定温度和应力作用下，应变与时间的关系曲线称为蠕变曲线。,9,典型蠕变曲线：分三个阶段,减速蠕变阶段,恒速蠕变阶段,加速蠕变阶段,瞬时应变,10,应力较小或温度较低时，第二阶段较长，第三阶段很短；反之，第二阶段很短，很快断裂。第二阶段蠕变速率越小越好！,3.温度和应力对蠕变的影响,11,应力和温度对蠕变曲线形状的影响,12,没有第I、II阶段或第III阶段的蠕变曲线,13,4.蠕变曲线的常用经验表达式,瞬时应变,减速蠕变,恒速蠕变,一般为小于1的正数,14,6.3 蠕变极限与持久强度,6.3.1 蠕变极限蠕变极限是以蠕变变形来规定的。这种指标适用于在高温运行中要严格控制变形的零件，如涡轮叶片
5、。6.3.2 持久强度和塑性持久强度反映蠕变断裂的抗力。这种指标适用于像锅炉、管道等在运行中基本上可不考虑小量变形、原则上只须确保在规定条件下不会破坏的构件。在高温长时作用下，材料可能有脆化倾向，所以还应同时测定持久塑性，以防上构件在高温运行时发生脆性断裂。,15,6.3.1 蠕变极限,蠕变极限是高温长时载荷下材料对变形的抗力指标。适用于在高温运行中要严格控制变形的零件，如涡轮叶片。2.蠕变极限的两种表示法：在给定温度T（）下，使试样产生规定的第二阶段蠕变速率（/h）的应力值，以（MPa）表示。在给定温度 T（）和规定时间 t（h）内，使试样产生一定蠕变应变量（%）的应力值，以（MPa）表示。
6、,16,解释：600下，稳态蠕变速率为110-5/h的蠕变极限为60MPa。意义：600下，试样规定稳态蠕变速率为110-5/h时，允许应力为60MPa。,解释：500下，105h后总变形量为1的蠕变极限为100MPa；意义：500下，105h内使试样产生1蠕变的应力值需100MPa。,17,3.蠕变极限的测定方法 曲线,第二阶段稳态蠕变速率：一定温度，不同应力，规定时间，作蠕变曲线，获得该速率；应力-蠕变速率对数坐标图；获得某温度下，某蠕变速率对应的应力值，即为蠕变极限。,18,6.3.2 持久强度和塑性,变形抗力与断裂抗力的区别。持久强度是在给定温度T（）下，使材料经规定时间t（h）发生断
7、裂的应力值，记作700，1000h不断裂的持久强度为300MPa。持久塑性可仿照静载断后伸长率和断面收缩率的定义和测试方法进行。,19,持久强度测定方法-给定温度-t曲线,寿命短时，直接高温拉伸测定；寿命长，作不同应力值-时间对数图；外推法获得长时间蠕变极限。,20,6.3.3 蠕变试验装置,温度和应力恒定。时间延长，自动记录标距内伸长和时间t的关系曲线，即蠕变曲线。测定蠕变极限、持久强度的试验装置，本质上是一种杠杆式静加载系统，安装试样一端配置控制温度的加热炉。当需要测定蠕变曲线和蠕变极限时，还需要配置高精度的变形测量仪器和相应的高温引伸计，使试样在高温下的变形被引伸到炉外，并精确地进行测量
8、。,21,蠕变和持久强度试验装置,22,6.4 蠕变变形和断裂机理,在蠕变变形前，总伴生一定的瞬时塑性变形。在机理上，这种变形与常温塑性变形是类似的，是切应力作用的结果；随时间而产生的蠕变变形，来自一定温度和应力的共同作用，与原子热运动有关。它有两方面的作用：协助受阻位错克服障碍重新运动；在应力的协助下，原子直接大量地定向扩散。,23,6.4.1 蠕变变形,实验表明，可用相对蠕变温度T/Tm来划分蠕变变形。通常概括为三种蠕变变形，它们是：低温蠕变：T/Tm0.25，受阻位错中最易激活位错先运动，随着时间增长，可动位错数减少，导致减速蠕变。基本无回复。稳态蠕变：Tm/2附近，原子扩散加剧，受阻位
9、错借助原子扩散继续运动，如各种攀移，原滑移面位错源放出新位错，蠕变不断发展。位错塞积使材料形变硬化，但上述动态回复使材料软化。二者平衡时，恒速蠕变，蠕变速度取决于位错的攀移速度。,各种攀移,24,6.4.1 蠕变变形,扩散蠕变：T/Tm0.5，大量原子定向流动。晶粒内应力不均匀，空位平衡浓度不同，从拉应力区沿应力梯度扩散到压应力区；点阵原子作相反方向移动，扩散路径可能沿着晶界也可能在晶粒内部进行，晶粒和试样沿应力方向延伸。蠕变速度既与外应力成正比，也正比于金属的自扩散速度。由这种扩散蠕变机制控制的恒速阶段的蠕变速度随晶粒细化而增大。所以，对于高温承载构件用的材料，应避免采用细晶组织。,应力诱导
10、原子扩散,25,6.4.1 蠕变变形,晶界滑动对蠕变变形也有贡献，但不是一种独立机制。高温和切应力使相邻晶粒沿晶界滑动，造成晶界两端邻近晶粒内形成畸变区。高温原子扩散、位错攀移可协调畸变，促进晶界继续滑动。晶界滑动和扩散协调交替进行，产生蠕变。,26,6.4.2 蠕变断裂,蠕变断裂和蠕变变形第二阶段相关，此时材料中已产生空洞、裂纹，有时还可能出现颈缩等。晶界断裂比较普遍。与晶内和晶界强度随温度变化梯度不同有关。通常存在一个晶内和晶界强度相等的温度等强温度TE。等强温度与应变速度和材料的冶金特征有关。应变速度下降，等强温度也下降，晶界断裂倾向增大。,27,晶界断裂的两种模型,晶界滑动：三晶交界处
11、直接形成楔形空洞，在曲折晶界及晶界夹杂物处形成空洞。空位聚集：受拉伸晶界，晶内到晶界有空位势能梯度，周围晶界或晶粒内部空位趋于沿晶界流动和聚集。晶界滑动机制主导的断裂发生在中等蠕变温度和较高应力水平的条件下，而空位聚集机制主导的断裂发生在较高温度和较低应力水平的条件下。,28,6.5 影响蠕变极限和持久强度的主要因素,提高蠕变抗力关键：受阻位错不易滑移和攀移；强化晶界。1合金化和晶体结构选用高熔点金属。金属熔点愈高，原子结合力愈强，自扩散激活能愈大，位错攀移阻力愈大，有利于降低蠕变速度。加入铬、钼、钨、铌等形成单相固溶体，除固溶强化外，还可提高位错滑移和攀移阻力。晶体结构原子结合力影响自扩散系
12、数。BCC自扩散系数最大，FCC、HCP次之，金刚石型结构最小。2晶粒度和晶界结构粗晶化，避免晶粒不均匀。晶界形态、结构和析出物。定向凝固-柱状晶-减少受力方向横向晶界。真空熔炼以纯化合金。,29,6.6 提高蠕变极限和持久强度的主要措施,提高蠕变极限和持久强度的主要的途径是增加位错移动阻力、抑制晶界的滑动和空穴的扩散。从扩散蠕变角度选择高温材料时，应该首先考虑选择高熔点，具有密排结构的金属材料，因为这类材料的自扩散激活能大。改进冶金质量，能大大提高蠕变极限和持久强度。要根据材料的使用条件，如温度、时间和应力，优选出最佳的晶粒度。,30,6.7 应力松弛,1.应力松弛现象零件或材料在总应变保持
13、不变的条件下，其中的应力随时间自行降低的现象，称为应力松弛，如图所示。高温条件下材料会出现明显的应力松弛现象。例：高温条件下工作的紧固螺栓和弹簧 2.应力松弛曲线在给定温度和总应变条件下，测定的应力随时间变化曲线。松弛曲线特性松弛第I阶段：加于试件上的初应力为0，在开始阶段应力下降很决；松弛第阶段：应力下降逐渐减缓；松弛极限r：表示在一定的初应力和温度下，不再继续发生松弛的剩余应力。,31,典型的松弛曲线,32,3.对松弛现象的理解,由于随时间增长，一部分弹性变形转变为塑性变形，即弹性应变e不断减小，所以零件中的应力相应地降低。零件中弹性变形的减小与塑性变形的增加是同时等量产生的。蠕变与松弛在
14、本质上差别不大，可以把松弛现象看作是应力不断降低时的“多级”蠕变。,33,4.应力松弛机制？,应力松弛机制还理解得不够。一般认为在应力松弛第I阶段中，由于应力在各晶粒间分布不均匀，促使晶界扩散产生塑性；应力松弛第阶段主要发生在晶内，亚晶的转动和移动引起应力松弛。,34,6.7 应力松弛,5.松弛稳定性材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性。松弛稳定性可用在初始应力0和一定温度 T下经规定时间t后的“剩余应力”的大小来评定。经t时间后，残余应力愈高，说明材料的松弛稳定性愈好。,35,6.8 高温疲劳及疲劳与蠕变的交互作用,高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳。高温疲劳除与室温疲劳有类似的规律外，
15、还存在自身的一些特点。,36,6.8.1 基本加载方式和曲线,高温疲劳试验通常采用控制应力和控制应变两种加载方式，有时在最大拉应力下保持一定的时间，简称为保时，或在保时过程中叠加高频波以模拟实际使用条件。控制应力加载：在变动载荷条件下应变量随时间而缓慢增加的现象称为动态蠕变，简称动蠕变。而把通常在恒定载荷下的蠕变叫静蠕变。控制应变加载：应力松弛与滞后回线的变化。,37,控制应力加载,38,控制应变加载,39,控制应变条件下滞后回线随循坏周次的变化,40,6.8.2高温疲劳的一般规律,无论光滑试样或缺口试样，总的趋势是试验温度提高，高温疲劳强度降低，但和持久强度相比下降较慢，所以它们存在一交点（
16、见图）。在交点左边时，材料主要是疲劳破坏，这时疲劳强度比持久强度在设计中更为重要；在交点以右，则以持久强度为主要设计指标。交点温度随材料不同而不同。高温疲劳的最大特点是与时间相关，所以描述高温疲劳的参数除与室温相同的以外，还需增添与时间有关的参数。与时间有关的参数包括加载频率，波形和应变速率。,41,6.8.2高温疲劳的一般规律,在线弹性条件下，描述高温裂纹扩展速率da/dN的方法与室温的相同。由于高温条件下不可避免的存在蠕变损伤，所以高温疲劳裂纹扩展可以看作疲劳和蠕变分别造成裂纹扩展量的叠加。两部分相对量的大小与许多因素有关。同一材料在最大载荷相同的条件下，动蠕变速率和静蠕变速率相对大小是不
17、同的。在应力循环过程中，材料出现循环软化时，静蠕变速率小于动蠕变速率；反之，材料循环硬化时，则动蠕变速率小于静蠕变速率。结论：对循环硬化材料，设计中应主要考虑材料的静蠕变性能。,42,疲劳强度、持久强度与温度的关系,43,四种加载波型,（a）PP型；（b）CC型；（c）CP型；（d）PC型,44,6.8.3 疲劳和蠕变的交互作用,高温疲劳中主要存在疲劳损伤成分和蠕变损伤成分。在一定条件下，两种损伤过程不是各自独立发展，而是存在着交互作用的。交互作用的结果可能会加剧损伤过程，使疲劳寿命大大减小。蠕变疲劳的交互作用大致分两类：瞬时交互作用（Simultaneous interactions）；顺序
18、交互作用（Sequential interactions）。交互作用的大小与材料的持久塑性有关。试验表明，材料的持久塑性越好，则交互作用的程度越小。反之，材料持久塑性越差，则交互作用的程度越大。,45,6.8.3 疲劳和蠕变的交互作用,疲劳蠕变交互作用下的寿命预测方法：线性损伤累积法则,疲劳损伤分数,蠕变损伤分数,46,顺序交互作用,顺序交互作用中，预疲劳硬化造成一定损伤后影响着以后的蠕变行为。如对1Cr-Mo-V钢循软化后再经受高应力蠕变时，由于存在很强的交互作用，使随后的蠕变寿命减小，蠕变第阶段的速率增加了一个数量级；产生类似的疲劳损伤以后再经受以后的低应力蠕变时，则交互作用较小或不存在。
19、若材料是循环硬化的，通常比循环软化材料对随后的蠕变造成的危害程度减小。,47,瞬时交互作用,瞬时交互作用中，一般认为拉应力时的停留造成的危害大，因为拉伸保持期内晶界空洞成核多、生长快；而在同一循环的随后压缩保持期内空洞不易成核，在某种情况下甚至会使拉保期内造成的损伤愈合。所以加入压缩保时会延长疲劳寿命（仅少数合金例外）。通常随保时增加有一个饱和效应，即超过一个保时临界值时，进一步增加保时产生的效果趋向于恒定。,其它高温性能,48,高温短时拉伸性能（火箭、导弹发射）瞬时高温强度；热塑性；蠕变不起决定作用时。高温硬度 对于高温轴承及刀具、钻头等工具材料（红硬性），材料的高温硬度是重要的性能指标。,49,性能特点：蠕变 b=f(T,)变形机制：位错运动、晶界滑移提高力学性能：增大晶格阻力 减少晶界面积 提高扩散热激活能 形成复杂、网状的第二相,高温力学性能与室温力学性能的对比高 温 室 温,性能特点：b=C变形机制：晶内滑移和孪晶提高力学性能：细化晶粒 提高位错密度 合金化、第二相强化,
