第8章 材料的高溫力學(xué)性能

1、1主講人主講人: : 張寧張寧2v 一、一、金屬的蠕變現(xiàn)象金屬的蠕變現(xiàn)象v 二、二、蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理v 三、金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素三、金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素第八章第八章 金屬高溫力學(xué)性能金屬高溫力學(xué)性能3v 在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備中，很多機(jī)件長(zhǎng)期在高溫下服役。對(duì)于這類機(jī)件的備中，很多機(jī)件長(zhǎng)期在高溫下服役。對(duì)于這類機(jī)件的材料，只考慮常溫短時(shí)靜載時(shí)的力學(xué)性能是不夠的。材料，只考慮常溫短時(shí)靜載時(shí)的力學(xué)性能是不夠的。v 溫度、在高溫下載荷持續(xù)的時(shí)間對(duì)材料的力學(xué)性能影溫度、在高溫下載荷

2、持續(xù)的時(shí)間對(duì)材料的力學(xué)性能影響很大。響很大。v 如化工設(shè)備中高溫高壓管道，雖然承受的應(yīng)力小于該如化工設(shè)備中高溫高壓管道，雖然承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度，但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度，但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，即產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，即蠕變?nèi)渥儸F(xiàn)象，使管徑逐步增大，現(xiàn)象，使管徑逐步增大，如果選材、使用不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致管道破裂。如果選材、使用不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致管道破裂。第八章第八章 金屬高溫力學(xué)性能金屬高溫力學(xué)性能4v高溫下鋼的抗拉強(qiáng)度隨著載荷作用的時(shí)間增加高溫下鋼的抗拉強(qiáng)度隨著載荷作用的時(shí)間增加而降低。而降低。v在高溫短時(shí)載荷作用下，金屬材料塑性增加。在高溫短時(shí)載

3、荷作用下，金屬材料塑性增加。v在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下，金屬材料塑性降低，在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下，金屬材料塑性降低，缺口敏感性增加，呈現(xiàn)脆性斷裂。缺口敏感性增加，呈現(xiàn)脆性斷裂。第八章第八章 金屬高溫力學(xué)性能金屬高溫力學(xué)性能5v 溫度的溫度的“高高”或或“低低”是相對(duì)該金屬的熔點(diǎn)來(lái)講的，是相對(duì)該金屬的熔點(diǎn)來(lái)講的，一般采用一般采用“約比溫度（約比溫度（T/TmT/Tm）”更為合理。更為合理。v 首先，材料在高溫將發(fā)生蠕變現(xiàn)象。即在應(yīng)力恒定的首先，材料在高溫將發(fā)生蠕變現(xiàn)象。即在應(yīng)力恒定的情況下，材料在應(yīng)力的持續(xù)作用下不斷地發(fā)生變形。情況下，材料在應(yīng)力的持續(xù)作用下不斷地發(fā)生變形。這樣，材料在高溫下的強(qiáng)度便與

4、載荷作用的時(shí)間有關(guān)這樣，材料在高溫下的強(qiáng)度便與載荷作用的時(shí)間有關(guān)了。載荷作用的時(shí)間越長(zhǎng)，引起一定變形速率了。載荷作用的時(shí)間越長(zhǎng)，引起一定變形速率( (如如) )或或變形量的形變抗力變形量的形變抗力( (蠕變極限蠕變極限) )以及斷裂抗力以及斷裂抗力( (持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度) )就越低。就越低。v 粗略地說(shuō)，發(fā)生蠕變現(xiàn)象的溫度，粗略地說(shuō)，發(fā)生蠕變現(xiàn)象的溫度，對(duì)金屬材料約為對(duì)金屬材料約為T0.3-0.4TmT0.3-0.4Tm；(Tm(Tm為材料的熔點(diǎn)以絕對(duì)溫度為材料的熔點(diǎn)以絕對(duì)溫度K K計(jì)計(jì)) )；對(duì)；對(duì)陶瓷約為陶瓷約為T0.4-0.5TmT0.4-0.5Tm；對(duì)高分子材料為；對(duì)高分子材料為TTT

5、gTg，TgTg為玻為玻璃化溫度，多數(shù)高分子材料在室溫下就發(fā)生蠕變。璃化溫度，多數(shù)高分子材料在室溫下就發(fā)生蠕變。v 由于蠕變的產(chǎn)生，我們就不能籠統(tǒng)地說(shuō)材料在某一高由于蠕變的產(chǎn)生，我們就不能籠統(tǒng)地說(shuō)材料在某一高溫下其強(qiáng)度是多少，因?yàn)楦邷貜?qiáng)度與時(shí)間這一因素有溫下其強(qiáng)度是多少，因?yàn)楦邷貜?qiáng)度與時(shí)間這一因素有關(guān)。而材料在常溫下的強(qiáng)度是不考慮時(shí)間因素的。除關(guān)。而材料在常溫下的強(qiáng)度是不考慮時(shí)間因素的。除非試驗(yàn)時(shí)加載的應(yīng)變速率非常高。非試驗(yàn)時(shí)加載的應(yīng)變速率非常高。第八章第八章 金屬高溫力學(xué)性能金屬高溫力學(xué)性能6v蠕變：蠕變：是高溫金屬力學(xué)行為的一個(gè)重要特點(diǎn)是高溫金屬力學(xué)行為的一個(gè)重要特點(diǎn)v定義：定義：材料在短

6、時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢材料在短時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。v由于這種高溫蠕變變形導(dǎo)致的斷裂，稱為由于這種高溫蠕變變形導(dǎo)致的斷裂，稱為蠕變斷蠕變斷裂裂。第一節(jié)第一節(jié) 金屬的蠕變現(xiàn)象金屬的蠕變現(xiàn)象7v按蠕變速率的變化，曲線可以分為三個(gè)階段：按蠕變速率的變化，曲線可以分為三個(gè)階段：v第一階段：第一階段：ab 減速蠕變階段，又稱減速蠕變階段，又稱過(guò)渡蠕變過(guò)渡蠕變階段階段v第二階段：第二階段：bc 恒速蠕變階段，又稱恒速蠕變階段，又稱穩(wěn)態(tài)蠕變穩(wěn)態(tài)蠕變階段階段v第三階段：第三階段：cd 加速蠕變階段加速蠕變階段第一節(jié)第一節(jié) 金屬的蠕變現(xiàn)象金屬的蠕變現(xiàn)象8v

7、 同一材料的蠕變曲線隨著溫度高低及應(yīng)力的大小而有同一材料的蠕變曲線隨著溫度高低及應(yīng)力的大小而有不同，見(jiàn)下圖：不同，見(jiàn)下圖：v 應(yīng)力較小、溫度較低時(shí)：應(yīng)力較小、溫度較低時(shí)：蠕變的恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間蠕變的恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段；長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段；v 應(yīng)力較大、溫度較高時(shí)：應(yīng)力較大、溫度較高時(shí)：蠕變恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間短，蠕變恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間短，甚至消失，試樣在短時(shí)間內(nèi)斷裂，主要為加速蠕變。甚至消失，試樣在短時(shí)間內(nèi)斷裂，主要為加速蠕變。第一節(jié)第一節(jié) 金屬的蠕變現(xiàn)象金屬的蠕變現(xiàn)象9v由于金屬在長(zhǎng)時(shí)高溫載荷下會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，由于金屬在長(zhǎng)時(shí)高溫載荷下會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，

8、對(duì)于在高溫下工作、依靠原始彈性變形獲得工對(duì)于在高溫下工作、依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)力的機(jī)件，如高溫管道內(nèi)用的螺栓等，作應(yīng)力的機(jī)件，如高溫管道內(nèi)用的螺栓等，v就可以隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在總變形量不變的前就可以隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在總變形量不變的前提下，彈性變形變?yōu)樗苄宰冃?，從而使工作?yīng)提下，彈性變形變?yōu)樗苄宰冃危瑥亩构ぷ鲬?yīng)力降低，以致失效。力降低，以致失效。v這種在溫度及初始應(yīng)力一定時(shí)，材料中的應(yīng)力這種在溫度及初始應(yīng)力一定時(shí)，材料中的應(yīng)力隨著時(shí)間的增加而減小的現(xiàn)象稱為隨著時(shí)間的增加而減小的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛。v這種現(xiàn)象可看作這種現(xiàn)象可看作應(yīng)力不斷降低條件應(yīng)力不斷降低條件下的蠕變過(guò)下的蠕變過(guò)程。

9、程。第一節(jié)第一節(jié) 金屬的蠕變現(xiàn)象金屬的蠕變現(xiàn)象10v一、蠕變變形機(jī)理一、蠕變變形機(jī)理v 金屬的蠕變變形主要通過(guò)位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散等機(jī)理進(jìn)金屬的蠕變變形主要通過(guò)位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散等機(jī)理進(jìn)行，與溫度及應(yīng)力的變化有關(guān)。行，與溫度及應(yīng)力的變化有關(guān)。v（一）位錯(cuò)滑移蠕變（一）位錯(cuò)滑移蠕變v（二）擴(kuò)散蠕變（二）擴(kuò)散蠕變第二節(jié)第二節(jié) 蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理11（一）位錯(cuò)滑移蠕變（一）位錯(cuò)滑移蠕變v常溫下，如果滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生塞積，常溫下，如果滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生塞積，滑移就不能進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位滑移就不能進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位移重新運(yùn)動(dòng)和增殖。移

10、重新運(yùn)動(dòng)和增殖。v但在高溫下，位錯(cuò)可借助于外界提供的熱激活能但在高溫下，位錯(cuò)可借助于外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散克服某些短程障礙，從而產(chǎn)生變形。和空位擴(kuò)散克服某些短程障礙，從而產(chǎn)生變形。第二節(jié)第二節(jié) 蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理12高溫下的熱激活過(guò)程主要是刃型位錯(cuò)的攀移，模型見(jiàn)下圖：高溫下的熱激活過(guò)程主要是刃型位錯(cuò)的攀移，模型見(jiàn)下圖：v 當(dāng)塞積在某種障礙前的位錯(cuò)通過(guò)熱激活可以在新的滑移面上運(yùn)當(dāng)塞積在某種障礙前的位錯(cuò)通過(guò)熱激活可以在新的滑移面上運(yùn)動(dòng)，或與異號(hào)位錯(cuò)相遇對(duì)消、或形成亞晶界、或被晶界吸收。動(dòng)，或與異號(hào)位錯(cuò)相遇對(duì)消、或形成亞晶界、或被晶界吸收。v 當(dāng)塞積群中某一位錯(cuò)被激活

11、發(fā)生攀移時(shí)，位錯(cuò)源便可能再次放當(dāng)塞積群中某一位錯(cuò)被激活發(fā)生攀移時(shí)，位錯(cuò)源便可能再次放出一個(gè)位錯(cuò)，從而形成動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程，蠕變得以不斷發(fā)展。出一個(gè)位錯(cuò)，從而形成動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程，蠕變得以不斷發(fā)展。第二節(jié)第二節(jié) 蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理13v在蠕變第一階段：在蠕變第一階段：由于蠕變變形逐步產(chǎn)生應(yīng)變硬由于蠕變變形逐步產(chǎn)生應(yīng)變硬化，使位錯(cuò)源移動(dòng)的阻力及位錯(cuò)滑移的阻力逐漸化，使位錯(cuò)源移動(dòng)的阻力及位錯(cuò)滑移的阻力逐漸增大，使得蠕變速率不斷降低。增大，使得蠕變速率不斷降低。v在蠕變第二階段：在蠕變第二階段：由于應(yīng)變硬化的發(fā)展，促進(jìn)了由于應(yīng)變硬化的發(fā)展，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)回復(fù)的進(jìn)行，使金屬不斷軟化。當(dāng)應(yīng)變

12、硬化動(dòng)態(tài)回復(fù)的進(jìn)行，使金屬不斷軟化。當(dāng)應(yīng)變硬化與回復(fù)軟化達(dá)到平衡時(shí)，蠕變速率為常數(shù)。與回復(fù)軟化達(dá)到平衡時(shí)，蠕變速率為常數(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理14（二）擴(kuò)散蠕變（二）擴(kuò)散蠕變v這是在較高溫度下的一種蠕變變形機(jī)理，約比溫這是在較高溫度下的一種蠕變變形機(jī)理，約比溫度度T/Tm0.5。v是高溫下大量原子與空位定向移動(dòng)造成的。是高溫下大量原子與空位定向移動(dòng)造成的。第二節(jié)第二節(jié) 蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理15v 承受拉應(yīng)力（承受拉應(yīng)力（A、B晶界）晶界）的晶界，空位濃度的晶界，空位濃度增加增加；v 承受壓應(yīng)力（承受壓應(yīng)力（C、D晶界）晶界）的晶界，

13、空位濃度的晶界，空位濃度減小減小。v 這種晶體內(nèi)空位從受拉這種晶體內(nèi)空位從受拉晶界向受壓晶界遷移，晶界向受壓晶界遷移，原子朝相反方向運(yùn)動(dòng)，原子朝相反方向運(yùn)動(dòng)，使得晶體伸長(zhǎng)的蠕變，使得晶體伸長(zhǎng)的蠕變，稱為稱為擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變。第二節(jié)第二節(jié) 蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理16二、蠕變斷裂機(jī)理二、蠕變斷裂機(jī)理v 實(shí)驗(yàn)表明，不同溫度及應(yīng)力條件下，晶界裂紋的形成方式實(shí)驗(yàn)表明，不同溫度及應(yīng)力條件下，晶界裂紋的形成方式有兩種：有兩種：v 1. 在三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋在三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋v 這是在這是在高應(yīng)力和低溫高應(yīng)力和低溫下，由于晶界滑動(dòng)在三晶粒交會(huì)處受下，由于晶界滑動(dòng)在三晶粒交會(huì)

14、處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞互相連接形成楔形裂紋。阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞互相連接形成楔形裂紋。第二節(jié)第二節(jié) 蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理17v2. 在晶界上由空洞形成晶界裂紋在晶界上由空洞形成晶界裂紋v 這是這是較低應(yīng)力和較高溫度較低應(yīng)力和較高溫度下產(chǎn)生的裂紋。下產(chǎn)生的裂紋。v 這種裂紋出現(xiàn)在這種裂紋出現(xiàn)在晶界上突起的部位和細(xì)小的第二相質(zhì)晶界上突起的部位和細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)附近點(diǎn)附近，由于晶界滑動(dòng)產(chǎn)生空洞，這些空洞長(zhǎng)大并連，由于晶界滑動(dòng)產(chǎn)生空洞，這些空洞長(zhǎng)大并連接，就形成裂紋。接，就形成裂紋。第二節(jié)第二節(jié) 蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理18蠕變斷裂斷口的宏觀特征：蠕變斷裂斷口的宏觀特征：v (1) 斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋，斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋，斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；v (2) 由于高溫氧化，斷口表面