材料的力學(xué)性能7ppt課件.ppt

高溫及環(huán)境下的材料力學(xué)性能 1 高溫 是指機(jī)件的服役溫度超過金屬的再結(jié)晶溫度 在這樣的溫度下長時(shí)服役 材料的微觀結(jié)構(gòu) 形變和斷裂機(jī)制都會(huì)發(fā)生變化 室溫下具有優(yōu)良力學(xué)性能的材料不一定能滿足機(jī)件在高溫下長時(shí)服役對(duì)力學(xué)性能的要求 因?yàn)椴牧系牧W(xué)性能隨溫度變化規(guī)律各不相同 形變金屬在高溫下要發(fā)生回復(fù) 再結(jié)晶 同時(shí) 在變形過程中引入的大量缺陷 如空位 位錯(cuò)等 也隨之發(fā)生變化 表現(xiàn)出殘余內(nèi)應(yīng)力的消除 多邊形化和亞晶粒合并等現(xiàn)象 在性能上 一般隨溫度的升高 強(qiáng)度降低 而塑性增加 材料在高溫下的性能除與加載方式 載荷大小有關(guān)外 還受載荷持續(xù)時(shí)間的影響 因此 考慮高溫強(qiáng)度因素對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說 也成為一個(gè)很重要的方面 另外 在高溫作用下 構(gòu)件環(huán)境介質(zhì)的腐蝕活性隨溫度升高而很快增加 這種腐蝕介質(zhì)大大加速了高溫下的裂紋生成與擴(kuò)展 材料的高溫力學(xué)性能指標(biāo)有蠕變極限 持久強(qiáng)度 應(yīng)力松弛穩(wěn)定性 高溫短時(shí)拉伸及高溫硬度 高溫疲勞以及疲勞與蠕變交互作用性能等 本章主要介紹和討論高溫蠕變現(xiàn)象 蠕變曲線 蠕變過程中材料顯微組織的變化 特性和斷裂機(jī)制 以及材料的應(yīng)力腐蝕與氫脆相關(guān)的內(nèi)容 2 7 1材料的蠕變 7 1 1蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線 材料在高溫和恒應(yīng)力作用下 即使應(yīng)力低于彈性極限 也會(huì)發(fā)生緩慢的塑性變形 這種現(xiàn)象稱為材料的蠕變 由于這種變形而導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂 材料不同 發(fā)生蠕變的溫度也不同 如鉛 錫等低熔點(diǎn)金屬在室溫就會(huì)發(fā)生明顯的蠕變現(xiàn)象 而碳鋼要在400 左右 高溫合金在500 以上才出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象 在工程上 一般都是指的高溫蠕變 蠕變溫度在0 5Tm以上 材料蠕變可以發(fā)生于各種應(yīng)力狀態(tài) 可以在一種應(yīng)力下發(fā)生 也可以在復(fù)合應(yīng)力作用下發(fā)生 但通常以拉伸條件下的指標(biāo)表示其抗蠕變性能 蠕變?cè)囼?yàn)采用靜力法 即在試驗(yàn)溫度不變的前提下 載荷保持恒定 3 7 1材料的蠕變 Oa線段是試樣在t溫度下承受恒定拉應(yīng)力 時(shí)所產(chǎn)生的起始伸長率 0 它是載荷引起的瞬時(shí)應(yīng)變 是外加載荷引起的一般過程 不是蠕變 蠕變曲線大致可以分為三階段 第 階段 ab區(qū) 該階段開始時(shí) 蠕變速率較大 隨時(shí)間延長 蠕變速率逐漸減小到b點(diǎn) 減速蠕變階段或過渡蠕變階段 第 階段 bc區(qū) 蠕變速率保持不變 硬化與軟化相平衡 蠕變速率最小 通常稱為穩(wěn)態(tài)蠕變或恒速蠕變階段 第 階段 cd區(qū) 蠕變速率又開始增大 最后導(dǎo)致失穩(wěn)斷裂 該階段又被稱為加速蠕變階段 4 7 1材料的蠕變 對(duì)同一種材料 蠕變曲線形狀隨應(yīng)力 溫度變化而變化 溫度升高或應(yīng)力升高 曲線第 階段縮短 在高溫或高應(yīng)力下 甚至沒有第 或 階段 只有第 或 階段 而在另一些情況 如低應(yīng)力低溫度下 只有第 階段 而沒有第 階段 5 7 1材料的蠕變 蠕變曲線解析式 求導(dǎo) 有 因?yàn)? n 1 所以當(dāng)t很小時(shí) 即開始蠕變時(shí) 第一項(xiàng)起主導(dǎo)作用 它表示應(yīng)變速率隨時(shí)間t延長而下降 即第 階段蠕變 當(dāng)t很大時(shí) 第二項(xiàng)逐漸起主導(dǎo)作用 應(yīng)變速率接近恒定值 即第 階段蠕變 0 和n值是與溫度 應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù) 其中 的物理意義是第 階段的蠕變速率 6 7 1材料的蠕變 對(duì)于金屬材料 在蠕變過程中 通?；迫允且粋€(gè)主要現(xiàn)象 在緩慢蠕變變形的同時(shí) 有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)回復(fù)現(xiàn)象 第 階段就能觀察到亞晶形成 第 階段 亞晶逐漸完整 尺寸增大到一定程度后 一直到第 階段 保持不變 亞晶尺寸一般隨應(yīng)力下降和溫度上升而有所增大 按蠕變期間是否發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶 將蠕變分為兩類 低溫蠕變 完全不發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶 高溫蠕變 同時(shí)進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶 其再結(jié)晶溫度比通常的再結(jié)晶溫度低 并且不一定回復(fù)完成后 才開始再結(jié)晶 此外 金屬材料的組織在蠕變過程中可能會(huì)出現(xiàn)一些復(fù)雜變化 如鎳基高溫合金在高溫下工作一段時(shí)間后 碳化物會(huì)沿滑移線聚集 強(qiáng)化相粗化 在基體內(nèi)析出針狀 相 相和 相等 7 1 2蠕變過程組織結(jié)構(gòu)變化 7 7 2蠕變變形及斷裂機(jī)制 從機(jī)制上 蠕變變形可分為位錯(cuò)滑移蠕變 擴(kuò)散蠕變和晶界滑動(dòng)蠕變?nèi)N 1 位錯(cuò)滑移蠕變?nèi)渥冏冃芜^程中 位錯(cuò)滑移仍是一種重要的變形機(jī)制 高溫蠕變中的滑移變形與室溫下基本相同 但在高溫下 會(huì)出現(xiàn)新的滑移系 例如 高溫下 面心立方晶體中會(huì)出現(xiàn) 100 和 211 滑移 鋅和鎂出現(xiàn)非基面的滑移系 而且滑移系不像室溫下那樣均勻分布 當(dāng)位錯(cuò)因受到各種障礙阻滯產(chǎn)生塞積 滑移不能繼續(xù)進(jìn)行 只有施加更大的外力 才能引起位錯(cuò)重新運(yùn)動(dòng)和繼續(xù)變形 這就出現(xiàn)了硬化 受恒應(yīng)力作用的位錯(cuò)在高溫下可借助外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散來克服某些障礙 從而使變形不斷產(chǎn)生 出現(xiàn)軟化 位錯(cuò)熱激活方式有多種 如螺位錯(cuò)交滑移 刃位錯(cuò)攀移 帶割階位錯(cuò)靠空位和原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)等 高溫下 位錯(cuò)熱激活主要是刃位錯(cuò)的攀移 刃位錯(cuò)攀移克服障礙有幾種模型 7 2 1蠕變變形機(jī)制 8 7 2蠕變變形及斷裂機(jī)制 7 2 1蠕變變形機(jī)制 9 7 2蠕變變形及斷裂機(jī)制 2 擴(kuò)散蠕變?cè)诟邷氐蛻?yīng)力條件下 會(huì)發(fā)生以原子作定向流動(dòng)的蠕變現(xiàn)象 即擴(kuò)散蠕變 金屬材料受拉應(yīng)力時(shí) 多晶體內(nèi)存在不均勻應(yīng)力場(chǎng) 對(duì)承受拉應(yīng)力的晶界 如晶界A B 空位濃度增大 對(duì)承受壓應(yīng)力的晶界 如晶界C D 空位濃度減小 因而空位將從受拉應(yīng)力的晶界到受壓應(yīng)力的晶界遷移 原子則向相反方向流動(dòng) 致使晶體逐漸伸長 7 2 1蠕變變形機(jī)制 10 7 2蠕變變形及斷裂機(jī)制 3 晶界滑動(dòng)蠕變常溫下 晶界滑動(dòng)極不明顯 可以忽略 但在高溫下 由于晶界上原子易于擴(kuò)散 受力后易于產(chǎn)生滑動(dòng) 故而促進(jìn)蠕變進(jìn)行 隨溫度提高 應(yīng)力減小 晶粒尺寸減小 晶界滑動(dòng)對(duì)蠕變變形的影響增大 但總體來說 晶界滑動(dòng)在總?cè)渥兞恐兴急壤淮?在10 左右 晶界滑動(dòng)有兩種 一種是晶界兩邊晶界沿晶界相錯(cuò)動(dòng) 另一種是晶界沿其法線方向遷移 7 2 1蠕變變形機(jī)制 11 7 2蠕變變形及斷裂機(jī)制 金屬材料在高溫持久載荷作用下 多數(shù)為沿晶斷裂 由此可推斷蠕變?cè)斐傻膿p傷主要產(chǎn)生在晶界 7 2 2蠕變損傷和斷裂機(jī)制 12 7 2蠕變變形及斷裂機(jī)制 晶界裂紋的形成方式主要有兩種 在三晶界交匯處 形成楔形裂紋 通常 多出現(xiàn)在高應(yīng)力較低溫度下 在晶界形成空洞 空洞連接成為裂紋 這種裂紋一般在低應(yīng)力較高溫度條件下形成 其形成位置往往處于與外加拉應(yīng)力垂直的晶界上 7 2 2蠕變損傷和斷裂機(jī)制 13 7 3蠕變 持久強(qiáng)度極限 在規(guī)定溫度 t 下 使試樣產(chǎn)生規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力 7 3 1蠕變極限和持久強(qiáng)度極限 蠕變速率1 10 5 h 500oC 在規(guī)定溫度 t 和規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間 內(nèi) 使試樣產(chǎn)生規(guī)定的總應(yīng)變量 的最大應(yīng)力 600oC 總伸長率1 105h 蠕變極限的兩種表示法 14 持久極限 在規(guī)定溫度 t 下 達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間抵抗斷裂的最大應(yīng)力 不發(fā)生斷裂 7 3 1蠕變極限和持久強(qiáng)度極限 7 3蠕變 持久強(qiáng)度極限 15 1 等溫線外推法在同一溫度下 由較高的不同應(yīng)力下的短期數(shù)據(jù) 用應(yīng)力和斷裂時(shí)間 或蠕變速率 的既定關(guān)系 外推較小應(yīng)力下的長期蠕變極限或持久強(qiáng)度極限 實(shí)驗(yàn)溫度一般選擇部件的工作溫度 在這一實(shí)驗(yàn)溫度下 選擇一些實(shí)驗(yàn)應(yīng)力 得到相應(yīng)的蠕變速率或斷裂時(shí)間 以一定的坐標(biāo)進(jìn)行直線外推 得到蠕變極限或持久強(qiáng)度極限 7 3 2外推法 7 3蠕變 持久強(qiáng)度極限 2 時(shí)間 溫度參數(shù)法這種方法的出發(fā)點(diǎn)是提高試驗(yàn)溫度 以縮短試驗(yàn)時(shí)間 即在一定應(yīng)力下 由較高溫度下的短期蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)來推斷在較低溫度下的長期蠕變數(shù)據(jù) 16 高溫下 通常指再結(jié)晶溫度以上 材料的疲勞與室溫下的疲勞相似 也由裂紋萌生 擴(kuò)展和最終斷裂三個(gè)階段組成 裂紋尖端的非彈性應(yīng)變對(duì)上述行為起著決定作用 但高溫疲勞有其自身特點(diǎn) 還必須考慮溫度 時(shí)間 環(huán)境氣氛和疲勞過程中金屬組織變化等因素的綜合作用 因此 它比常溫疲勞復(fù)雜得多 無論是光滑試樣 還是缺口試樣 一般隨溫度升高 疲勞強(qiáng)度降低 例如 鋼在300 以上 每升高100 疲勞抗力下降約15 20 耐熱合金下降5 10 但有些合金 因高溫下的物理化學(xué)過程 可能在某溫度區(qū)域疲勞抗力回升 如應(yīng)變時(shí)效合金有時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象 7 4疲勞與蠕變的相互作用 17 7 8應(yīng)力松弛 材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性 可用松弛曲線來評(píng)定 松弛曲線第一階段的晶粒間抵抗應(yīng)力松弛的能力用溫度系數(shù)S0表示 S0 0 0 式中 0為初始應(yīng)力 0 為松弛曲線第二階段的初始應(yīng)力 18 7 8應(yīng)力松弛 19 7 9影響高溫性能的因素 化學(xué)成分耐熱鋼及耐熱合金的基體材料一般選用熔點(diǎn)高 自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e(cuò)能低的金屬及合金 這是因?yàn)樵谝欢囟认?熔點(diǎn)越高的金屬 自擴(kuò)散激活能越大 因而自擴(kuò)散越慢 層錯(cuò)能越低的材料 越容易形成擴(kuò)展位錯(cuò) 使位錯(cuò)越難以產(chǎn)生割階 交滑移及攀移 這將有利于降低蠕變速率 面心立方結(jié)構(gòu)金屬 如Ni 層錯(cuò)能低 所以鎳基合金高溫性能穩(wěn)定性比鐵基合金高 在基體金屬中加入Cr Mo W Co Nb等合金元素 形成單相固溶體 除產(chǎn)生固溶強(qiáng)化外 還將降低層錯(cuò)能 一般來說 溶質(zhì)熔點(diǎn)越高 其原子半徑與溶劑金屬原子相差越大 越有利于提高熱強(qiáng)性 冶煉工藝晶粒度 20 7 10環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能 金屬機(jī)件 或構(gòu)件 在服役過程中 經(jīng)常要與周圍環(huán)境中的各種介質(zhì)相接觸 環(huán)境介質(zhì)對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響 稱為環(huán)境效應(yīng) 由于環(huán)境效應(yīng)的作用 金屬所承受的應(yīng)力即使低于其屈服強(qiáng)度 也會(huì)產(chǎn)生突然脆斷的現(xiàn)象 即為環(huán)境斷裂 7 10 1應(yīng)力腐蝕 金屬在拉應(yīng)力和特定的環(huán)境介質(zhì)作用下 經(jīng)過一段時(shí)間 所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象 稱為應(yīng)力腐蝕斷裂 在工業(yè)上 最常見的有 低碳鋼和低合金鋼在苛性堿溶液中的 堿脆 和在含有硝酸根離子介質(zhì)中的 硝脆 奧氏體不銹鋼在含有氯離子介質(zhì)中的 氯脆 銅合金在氨氣環(huán)境下的 氨脆 以及高強(qiáng)度鋁合金在空氣 蒸餾水中的脆裂現(xiàn)象等 上面所列舉的金屬材料無論是韌性的或脆性的 都會(huì)在沒有明顯預(yù)兆的情況下產(chǎn)生脆斷 常常造成災(zāi)難性事故 所以 應(yīng)力腐蝕斷裂是一種較為普遍的而且是極為危險(xiǎn)的斷裂形式 21 7 10環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能 應(yīng)力 環(huán)境介質(zhì)和金屬材料三者是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的條件 應(yīng)力中起作用的是拉應(yīng)力 焊接 熱處理或裝配過程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力在應(yīng)力腐蝕斷裂中也有重要作用 環(huán)境介質(zhì)某種金屬材料 只有在特定的介質(zhì)中 才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕 材料一般認(rèn)為 純金屬不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕 所有合金對(duì)應(yīng)力腐蝕都有不同程度的敏感性 但在每一種合金系列中 都有對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感的合金成分 22 7 10環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能 由于氫和應(yīng)力的聯(lián)合作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象 稱為氫脆斷裂 1 氫蝕這是由于氫與金屬中的第二相作用 生成高壓氣體 使基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致金屬脆化 2 白點(diǎn) 發(fā)紋 這是由于鋼中含有過量的氫 隨著溫度降低 氫的溶解度減小 但過飽和的氫未能擴(kuò)散外逸 因而在某些缺陷處聚集成氫分子 此時(shí) 體積發(fā)生急劇膨脹 內(nèi)壓力很大 足以把材料局部撕裂 而使鋼中形成白點(diǎn) 3 氫化物致脆在純鈦 Ti合金 釩 鋯 鈮及其合金中 它們與氫有較大的親和力 極易形成氫化物 使塑性 韌性降低 產(chǎn)生脆化 4 氫致延滯斷裂高強(qiáng)度鋼或 Ti合金中含有適量的處于固溶狀態(tài)的氫 原來存在的或從環(huán)境介質(zhì)中吸收的 在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下 經(jīng)過一段孕育期后 在內(nèi)部特別是在三向拉應(yīng)力區(qū) 形成裂紋 裂紋逐步擴(kuò)展 最后突然發(fā)生脆