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1、1,第七章 材料的高温力学性能,任课老师：赵翠华助教：刘伟,2,第七章 材料的高温力学性能,3,在航空航天、能源和化工等工业领域，许多机件是在高温下长期服役的，如发动机、锅炉、炼油设备等。它们对材料的高温力学性能提出了很高的要求。正确地评价材料、合理地使用材料、研究新的耐高温材料，成为上述工业发展和材料科学研究的主要任务之一。,引言,4,5,温度对材料的力学性能影响很大，而且材料的力学性能随温度的变化规律各不相同。如金属材料随着温度的升高，强度极限逐渐降低，断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡。时间是影响材料高温力学性能的另一重要因素，在常温下，时间对材料的力学性能几乎没有影响，而在高温时，力
2、学性能就表现出了时间效应。所谓温度的高低，是相对于材料的熔点而言的，一般用“约比温度(TTm)”来描述，其中，T为试验温度，Tm为材料熔点，都采用热力学温度表示。当TTm0.4-0.5时为高温，反之则为低温。,6,7-1高温蠕变性能,材料在高温下力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。所谓蠕变就是材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。严格地讲，蠕变可以发生在任何温度，在低温时，蠕变效应不明显，可以不予考虑；当约比温度大于0.3时，蠕变效应比较显著，此时必须考虑蠕变的影响，如碳钢超过300、合金钢超过400，就必须考虑蠕变效应。,一、
3、蠕变的一般规律,7,7-1高温蠕变性能,蠕变过程可以用蠕变曲线来描述。对于金属材料和陶瓷材料，典型的蠕变曲线如图7-1所示。OA线段是施加载荷后，试样产生的瞬时应变o，不属于蠕变。,一、蠕变的一般规律,8,7-1高温蠕变性能,曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率(=d/dt）按照蠕变速率的变化，可将蠕变过程分为3个阶段。,一、蠕变的一般规律,第阶段；AB段，称为减速蠕变阶段(又称过渡蠕变阶段)。第阶段：BC段，称为恒速蠕变阶段(又称稳态蠕变阶段）。第阶段：CD段，称为加速蠕变阶段(又称为失稳蠕变阶段)。,9,7-1高温蠕变性能,蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化，如图所示，在恒温下改变应
4、力，或在恒定应力下改变温度，蠕变曲线都将发生变化。当减小应力或降低温度时，蠕变第阶段延长，甚至不出现第阶段。,一、蠕变的一般规律,10,7-1高温蠕变性能,当增加应力或提高温度时，蠕变第阶段缩短，甚至消失，试样经过减速蠕变后很快进入第阶段而断裂。,一、蠕变的一般规律,11,高分子材料由于其粘弹性决定了与金属材料、陶瓷材料不同的蠕变特性，蠕变曲线也可分为3个阶段。第阶段：AB段，为可逆形变阶段，是普通的弹性变形，即应力和应变成正比；第阶段：BC段，为推迟的弹性变形阶段，也称高弹性变形发展阶段；第阶段：CD段，为不可逆变形阶段，是以较小的恒定应变速率产生变形，到后期，会产生缩颈，发生蠕变断裂。,1
5、2,7-1高温蠕变性能,弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生回复，称为蠕变回复，这是高分子材料的蠕变与其他材料的不同之一。材料不同或试验条件不同时，蠕变曲线的3个阶段的相对比例会发生变化，但总的特征是相似的。,一、蠕变的一般规律,13,7-1高温蠕变性能,1.蠕变变形机理 材料的蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散和晶界滑动，对于高分子材料还有分子链段沿外力的舒展。（1）位错滑移蠕变机理 材料的塑性形变主要是由于位错的滑移引起的，在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就不能继续滑移，也就是只能产生一定的塑性形变。,二、蠕变变形及断裂机理,14,a）预约
6、障碍物在新的滑移面上运动 b）与临界滑移面上的异号位错反应c）形成小角度晶界 d）消失于大角度晶界,15,在蠕变第阶段，由于蠕变变形逐渐产生变形硬化，使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低，因而形成了减速蠕变阶段。在蠕变的第阶段，由于形变硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，使材料不断软化。当形变硬化和回复软化达到动态平衡时，蠕变速率遂为一常数，因此形成了恒速蠕变阶段。,16,（2）扩散蠕变机理 在较高温度下，原子和空位可以发生热激活扩散，在不受外力的情况下，它们的扩散是随机的，在宏观上没有表现。在外力作用下，晶体内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同位置具有不同的势
7、能，它们会有高势能位向低势能位进行定向扩散。空位的扩散引起原子反向扩散，从而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直与拉伸轴方向收缩，致使晶体产生蠕变。,17,18,（3）晶体滑动蠕变机理 晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形，在常温下，可以忽略不计，但在高温时，晶界的相对滑动可以引起明显的塑性形变，产生蠕变。（4）粘弹性机理 高分子材料在恒定应力的作用下，分子链由卷曲状态逐渐伸展，发生蠕变变形。当外力减小或去除后，体系自发地趋向熵值增大的状态，分子链由伸展状态向卷曲状态回复，表现为高分子材料的蠕变回复特性。,19,7-1高温蠕变性能,2.蠕变断裂机理 蠕变断裂有两种情况：一种情况是对于那些不含裂纹的
8、高温机件，在高温长期服役过程中，由于蠕变裂纹相对均匀地在机件内部萌生和扩展，显微结构变化引起的蠕变抗力的降低以及环境损伤导致的断裂；另一种情况是高温工程机件中，原来就存在裂纹或类似裂纹的缺陷，其裂纹是主裂纹扩展引起的，属于高温断裂力学的范畴。,二、蠕变变形及断裂机理,20,晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，温度升高，多晶体晶内及晶界强度都随之降低，但后者降低更快，造成高温下晶界的相对强度较低的缘故。通常将晶界和晶内强度相等的温度称为等温强度。晶界断裂有两种模型：一种是晶界滑动和应力集中模型，另一种是空位聚集模型。,21,锲型裂纹空洞形成示意图,22,耐热合金中的锲型裂纹,23,晶界曲折和夹杂物出空
9、洞形成示意图,24,二、蠕变变形及断裂机理,金属材料蠕变断裂断口：宏观特征为：一是在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象；另一个特征是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖微观特征为：主要是冰糖状花样的沿晶断裂,25,1.蠕变极限 蠕变极限表示材料对高温蠕变变形的抗力，是选用高温材料、设计高温下服役机件的主要性能依据之一。蠕变极限的表示方法有两种：第一种方法，在给定的温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力，定义为蠕变极限。第二种方法，在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定的蠕变应变的最大应力，定义为蠕变极限。,三、蠕变性能指标,
10、26,利用线性回归分析法求出n和A之值后，再用内插或外推法 即可求出规定输变速率下的外加应力，即为蠕变极限由此可见，用较大的应力、较短时间作出的蠕变试验结果，可用外推法求出较小应力、较长时间的蠕变极限，从而节约大量的试验时间。,27,2.持久强度 某些在高温下工作的机件，蠕变变形很小或对变形要求不严格，只要求机件在使用期内不发生断裂。在这种情况下，要用持久强度作为评价材料、设计机件的主要依据。持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力。材料的持久强度是实验测定的，持久强度试验时间通常比蠕变极限试验要长得多，可达几万至几十万h。,28,3.松弛稳定性 材料在恒定变形的条
11、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。材料抵抗应力松弛的能力称为松弛稳定性。松弛稳定性可以通过松弛试验测定的应力松弛曲线来评定，曲线是在规定温度下，对试样施加载荷，保持初始变形量恒定，测定试样上的应力随时间而下降的曲线。,29,1.内在因素（1）化学成分 材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。热激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高。对于金属材料，如设计耐热钢及耐热合金时，一般选用熔点高、自扩散激活能大和层错能低的元素及合金。陶瓷材料具有较好的抗高温蠕变性能。高分子材料，因材料的粘弹性不同，蠕变性能不同。,四、影响蠕变的主要因素,30,（2）组织结构
12、 对于金属材料，采用不同的热处理工艺，可以改变组织结构，从而改变热激活运动的难易程度。陶瓷材料，当采用不同的工艺，获得含有不同第二相组织时，其蠕变的机理会发生改变。,31,（3）晶粒尺寸 对于金属材料，当使用温度低于等强温度时，细化晶粒可以提高钢的强度；当使用温度高于等强温度时，粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度。对于陶瓷材料，不同的晶粒尺寸决定了控制蠕变速率的蠕变机制不同，当晶粒尺寸很大时，蠕变速率受位错滑动和晶内扩散的控制，晶粒尺寸小时，其蠕变的机理复杂。,32,2.外部因素（1）应力 材料的蠕变性能和蠕变速率主要取决于应力水平，高应力下蠕变速率高，低应力下蠕变速率低。（2）温度 蠕变
13、是热激活过程，蠕变激活能和扩散激活能的相对关系，影响蠕变机制。对于高分子材料，随温度的升高，蠕变变形量增加，蠕变速率增大。,四、影响蠕变的主要因素,33,7-2其他高温力学性能,在特殊情况下，如火箭、导弹上的零件工作时间很短，蠕变现象不起决定的作用，又如制定钢的热锻轧工艺时，需要了解钢材的热塑性。高温拉伸试验的拉伸速率对性能的影响比室温时大得多，要求试样在屈服前的应变速率在0.003-0.007m/min。,一、高温短时拉伸性能,34,7-2其他高温力学性能,材料在外力的作用下，首先发生弹性变形，随后出现屈服现象，发生塑性变形，到一定程度以后，发生断裂。有些材料在高温时，其不可逆的永久变形没有
14、屈服现象，通常把这种高温下产生的不可逆永久性变形称为粘性流动变形，也称为粘性变形，材料发生在粘性变形的能力称为粘性。,二、高温下材料的粘性流动性能,35,7-2其他高温力学性能,硬度是反应材料抵抗局部塑性变形能力的力学性能指标。由于试样在较高温度下的硬度较低，所以试验压力不宜过大，并应根据试验温度的高低改变试验压力的大小，以保证压痕清晰和完整。此外，由于试样在高温下蠕变的影响较大，一般规定加载时间为30-60s。,三、高温硬度,36,7-2其他高温力学性能,1.高温疲劳的一般规律 通常把高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳。高温疲劳试验中，随温度升高，疲劳强度下降。高温疲劳的最大特点是与时间相关。,四、高温疲劳性能,37,7-2其他高温力学性能,2.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。根据损伤造成的原因，疲劳和蠕变的交互作用大致分为两类：一类为瞬时交互作用，另一类为顺序交互作用。交互作用的大小与材料的持久塑性有关。材料的持久塑性越好，则交互作用的程度越小；反之，材料的持久塑性越差，则交互作用的程度越大。交互作用与试验条件有关，例如循环的应变幅值、压拉保时的长短与温度等。,四、高温疲劳性能,
