材料性能學(xué)(5)

1、第七章 材料的高溫力學(xué)性能 材料性能學(xué)（五）溫度時(shí)間載荷決定材料高溫行為。溫度時(shí)間載荷決定材料高溫行為。緒 論u 溫度溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響：對(duì)材料力學(xué)性能的影響： 溫度升高，強(qiáng)度降低，斷裂方式由穿晶斷裂變?yōu)檠鼐嗔?；溫度升高，?qiáng)度降低，斷裂方式由穿晶斷裂變?yōu)檠鼐嗔?；u 高溫下高溫下載荷持續(xù)時(shí)間載荷持續(xù)時(shí)間對(duì)材料力學(xué)性能的影響：對(duì)材料力學(xué)性能的影響： 持續(xù)時(shí)間越長，強(qiáng)度越低，塑性越差，缺口敏感性越大。持續(xù)時(shí)間越長，強(qiáng)度越低，塑性越差，缺口敏感性越大。例如例如：2020鋼在鋼在450450時(shí)的力學(xué)性能時(shí)的力學(xué)性能 抗拉強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度是320MPa320MPa； 在在225MPa225MPa載

2、荷作用載荷作用300300小時(shí)后斷裂；小時(shí)后斷裂； 在在115MPa115MPa載荷作用載荷作用1000010000小時(shí)后斷裂；小時(shí)后斷裂；溫度的高低，一般用溫度的高低，一般用T/Tm來描述，來描述， T/Tm 0.4-0.50.4-0.5；為高溫。；為高溫。第一節(jié) 高溫蠕變性能一、蠕變現(xiàn)象一、蠕變現(xiàn)象1 1。定義：材料在長時(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。定義：材料在長時(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。2 2。產(chǎn)生條件：約比溫度。產(chǎn)生條件：約比溫度T/Tm0.3T/Tm0.3；3 3。蠕變曲線：減速蠕變。蠕變曲線：減速蠕變 恒速蠕變恒速蠕變 加速蠕變加速蠕變O

3、A線段是施加載荷后，試樣產(chǎn)生線段是施加載荷后，試樣產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變瞬時(shí)應(yīng)變0,，不屬于蠕變；，不屬于蠕變；ABCD曲線即為蠕變曲線。曲線即為蠕變曲線。蠕變速率為曲線的斜率。蠕變速率為曲線的斜率。AB段：減速（過渡）蠕變階段段：減速（過渡）蠕變階段BC段：恒速（穩(wěn)態(tài)）蠕變階段段：恒速（穩(wěn)態(tài)）蠕變階段CD段：加速（失穩(wěn)）蠕變階段段：加速（失穩(wěn)）蠕變階段D點(diǎn)：蠕變斷裂點(diǎn)：蠕變斷裂4。溫度和應(yīng)力對(duì)蠕變曲線的影響：。溫度和應(yīng)力對(duì)蠕變曲線的影響：蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而變化。蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而變化。(1)減小應(yīng)力減小應(yīng)力第第階段延長，甚至不出現(xiàn)第階段延長，甚至不出現(xiàn)第階段；增階段；增

4、加應(yīng)力加應(yīng)力第第階段縮短，甚至消失，很快進(jìn)入第階段縮短，甚至消失，很快進(jìn)入第階段。階段。(2)降低溫度降低溫度第第階段延長，甚至不出現(xiàn)第階段延長，甚至不出現(xiàn)第階段；階段； 提高溫度提高溫度第第階段縮短，甚至消失，很快進(jìn)入第階段縮短，甚至消失，很快進(jìn)入第階段。階段。二、蠕變變形及斷裂機(jī)理二、蠕變變形及斷裂機(jī)理1。蠕變變形的機(jī)理。蠕變變形的機(jī)理蠕變變形的機(jī)理主要有位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散和晶界滑動(dòng)蠕變變形的機(jī)理主要有位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散和晶界滑動(dòng)。（1）位錯(cuò)滑移蠕變機(jī)理）位錯(cuò)滑移蠕變機(jī)理位錯(cuò)的熱激活方式：位錯(cuò)的熱激活方式：刃型位錯(cuò)的攀移、螺型位錯(cuò)的刃型位錯(cuò)的攀移、螺型位錯(cuò)的交滑移、位錯(cuò)環(huán)的分解，割階位錯(cuò)的

5、非保守運(yùn)動(dòng)，交滑移、位錯(cuò)環(huán)的分解，割階位錯(cuò)的非保守運(yùn)動(dòng)，亞晶界的位錯(cuò)攀移亞晶界的位錯(cuò)攀移等。等。位錯(cuò)滑移位錯(cuò)滑移位錯(cuò)塞積位錯(cuò)塞積塑性變形塑性變形提高載荷提高載荷位錯(cuò)重新增殖和運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)重新增殖和運(yùn)動(dòng)(常溫）常溫） 或者或者升高溫度升高溫度使得使得位錯(cuò)熱激活位錯(cuò)熱激活(高溫）高溫）形成亞晶界面形成亞晶界面結(jié)果：結(jié)果：被塞積被塞積的位錯(cuò)數(shù)量減的位錯(cuò)數(shù)量減少，對(duì)位錯(cuò)源少，對(duì)位錯(cuò)源的反作用力減的反作用力減小，位錯(cuò)源重小，位錯(cuò)源重新啟動(dòng)，位錯(cuò)新啟動(dòng)，位錯(cuò)得以增殖和運(yùn)得以增殖和運(yùn)動(dòng)動(dòng)產(chǎn)生蠕變產(chǎn)生蠕變變形變形（2）擴(kuò)散蠕變）擴(kuò)散蠕變CD處受壓應(yīng)力，處受壓應(yīng)力，空位濃度低?？瘴粷舛鹊?。AB處受拉應(yīng)力，處受拉應(yīng)力

6、，空位濃度高。空位濃度高?？瘴豢瘴粩U(kuò)散擴(kuò)散原子原子擴(kuò)散擴(kuò)散物質(zhì)遷移的過程物質(zhì)遷移的過程變形變形產(chǎn)生蠕變產(chǎn)生蠕變 高溫條件高溫條件 熱激活熱激活外力作用，晶體內(nèi)部外力作用，晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場產(chǎn)生勢能產(chǎn)生勢能擴(kuò)散擴(kuò)散（3）晶界滑動(dòng)蠕變機(jī)理）晶界滑動(dòng)蠕變機(jī)理 高溫時(shí)，在外力作用下，由于晶粒的純彈性畸高溫時(shí)，在外力作用下，由于晶粒的純彈性畸變和空位的定向擴(kuò)散，而產(chǎn)生蠕變。變和空位的定向擴(kuò)散，而產(chǎn)生蠕變。特點(diǎn)：特點(diǎn)：高溫高溫狀態(tài)下晶界上狀態(tài)下晶界上空位容易擴(kuò)散空位容易擴(kuò)散，受力后，受力后晶界易滑動(dòng)晶界易滑動(dòng)，對(duì)蠕變產(chǎn)生貢獻(xiàn)。對(duì)蠕變產(chǎn)生貢獻(xiàn)。晶界滑動(dòng)蠕變占總?cè)渥兞康谋壤秊榫Ы缁瑒?dòng)蠕變

7、占總?cè)渥兞康谋壤秊?010左右；左右；溫度越高，應(yīng)力越低，晶粒越小溫度越高，應(yīng)力越低，晶粒越小，滑動(dòng)對(duì)蠕變的，滑動(dòng)對(duì)蠕變的貢獻(xiàn)貢獻(xiàn)越大越大。（4 4）粘彈性機(jī)理（高分子材料）粘彈性機(jī)理（高分子材料p127p127）2。蠕變斷裂機(jī)理。蠕變斷裂機(jī)理（1）斷裂類型：）斷裂類型：不含裂紋的機(jī)件不含裂紋的機(jī)件：蠕變裂紋相對(duì)均勻地在機(jī)件內(nèi)部萌生：蠕變裂紋相對(duì)均勻地在機(jī)件內(nèi)部萌生和擴(kuò)展，顯微結(jié)構(gòu)變化引起的蠕變抗和擴(kuò)展，顯微結(jié)構(gòu)變化引起的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導(dǎo)致機(jī)件斷裂；力的降低以及環(huán)境損傷導(dǎo)致機(jī)件斷裂； 含裂紋的機(jī)件含裂紋的機(jī)件：斷裂由主裂紋的擴(kuò)展引起，屬高溫?cái)啵簲嗔延芍髁鸭y的擴(kuò)展引起，屬高溫?cái)嗔蚜W(xué)

8、的范疇。裂力學(xué)的范疇。（2）斷裂形式：晶間斷裂）斷裂形式：晶間斷裂蠕變斷裂的普遍方式蠕變斷裂的普遍方式溫度、應(yīng)力對(duì)晶界和晶內(nèi)強(qiáng)度的影響溫度、應(yīng)力對(duì)晶界和晶內(nèi)強(qiáng)度的影響（3）斷裂模型）斷裂模型 a a）晶界滑動(dòng)和應(yīng)力集中模型）晶界滑動(dòng)和應(yīng)力集中模型恒溫、恒載下，恒溫、恒載下，max方向晶界方向晶界滑動(dòng)滑動(dòng)三叉晶界的應(yīng)力集中三叉晶界的應(yīng)力集中達(dá)到晶界的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到晶界的結(jié)合強(qiáng)度晶界開晶界開裂，形成楔形空洞。裂，形成楔形空洞。晶界滑動(dòng)和晶體內(nèi)部位錯(cuò)滑移晶界滑動(dòng)和晶體內(nèi)部位錯(cuò)滑移晶界處交截晶界處交截晶界曲折晶界曲折 或者或者 晶界夾雜物晶界夾雜物阻礙晶界滑動(dòng)阻礙晶界滑動(dòng)應(yīng)力集中形成應(yīng)力集中形成楔形空洞

9、。楔形空洞。 b b）空位聚集模型）空位聚集模型晶界上作用一拉應(yīng)力晶界上作用一拉應(yīng)力超過臨界值時(shí)超過臨界值時(shí)空位擴(kuò)散、聚集空位擴(kuò)散、聚集形形成裂紋成裂紋裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展蠕變斷裂蠕變斷裂（4）斷口特征：）斷口特征：宏觀：塑性變形，龜裂；表面氧化。宏觀：塑性變形，龜裂；表面氧化。微觀：冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。微觀：冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。（2 2） 規(guī)定溫度，規(guī)定時(shí)間，使試樣產(chǎn)生規(guī)定應(yīng)變規(guī)定溫度，規(guī)定時(shí)間，使試樣產(chǎn)生規(guī)定應(yīng)變 量的最大應(yīng)力。量的最大應(yīng)力。（1 1） 規(guī)定溫度下，使試樣在蠕變的第二階段產(chǎn)生規(guī)定溫度下，使試樣在蠕變的第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力。規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力

10、。三、蠕變性能指標(biāo)三、蠕變性能指標(biāo)1。蠕變極限。蠕變極限 含義含義：表示材料在高溫下受到載荷長時(shí)間作用時(shí)，對(duì)塑：表示材料在高溫下受到載荷長時(shí)間作用時(shí)，對(duì)塑性變形的抗力。性變形的抗力。 表示方法表示方法：:T/t舉例：2、1、MPa606001015溫度600h/%1015MPa60蠕變極限MPa10050010000/1溫度500小時(shí)時(shí)間10000應(yīng)變量為1MPa100蠕變極限 測定方法（按穩(wěn)態(tài)蠕變速率定義的蠕變極限）測定方法（按穩(wěn)態(tài)蠕變速率定義的蠕變極限）： 在同一溫度（在同一溫度（T T）、）、不同應(yīng)力不同應(yīng)力（ ）下，進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，測出蠕變）下，進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，測出蠕變曲線，求出不同應(yīng)力（

11、曲線，求出不同應(yīng)力（ ）下的）下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率穩(wěn)態(tài)蠕變速率（ ）；）；nAlglglgnA2。持久強(qiáng)度。持久強(qiáng)度含義含義：材料在一定的溫度下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生：材料在一定的溫度下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力。蠕變斷裂的最大應(yīng)力。表示方法表示方法：Tt舉例：MPa307001013溫度700小時(shí)時(shí)間1000MPa30持久強(qiáng)度極限 測定方法測定方法經(jīng)驗(yàn)公式：經(jīng)驗(yàn)公式：給定溫度條件下，應(yīng)力和斷裂時(shí)間給定溫度條件下，應(yīng)力和斷裂時(shí)間tf有如下經(jīng)驗(yàn)公式有如下經(jīng)驗(yàn)公式注：注： 線上有折點(diǎn)線上有折點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)變化引起的。材料結(jié)構(gòu)變化引起的。mfAtlglglgmAtflglgft應(yīng)力松弛現(xiàn)象應(yīng)力

12、松弛現(xiàn)象應(yīng)力松弛曲線應(yīng)力松弛曲線初始應(yīng)力初始應(yīng)力0松弛應(yīng)力松弛應(yīng)力s0剩余應(yīng)力剩余應(yīng)力sh&提示：提示：s= 0- sh&剩余應(yīng)力值越高，說明材料的松弛穩(wěn)定性越好。剩余應(yīng)力值越高，說明材料的松弛穩(wěn)定性越好。3。松弛穩(wěn)定性。松弛穩(wěn)定性 含義含義：材料在恒溫、恒變形的條件下，隨著時(shí)間的延長，彈：材料在恒溫、恒變形的條件下，隨著時(shí)間的延長，彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。材料抵抗應(yīng)力松弛的性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。材料抵抗應(yīng)力松弛的能力為松弛穩(wěn)定性。能力為松弛穩(wěn)定性。舉例：兩種緊固件材料的應(yīng)力松弛曲線舉例：兩種緊固件材料的應(yīng)力松弛曲線材料：20Cr1Mo1VNbB； 材料

13、：25Cr2MoV四、影響蠕變性能的主要因素四、影響蠕變性能的主要因素1。內(nèi)在因素。內(nèi)在因素（1）化學(xué)成分）化學(xué)成分u 成分成分不同，蠕變的不同，蠕變的熱激活能熱激活能不同不同熱激活能高熱激活能高蠕變極限、持久強(qiáng)度、剩余應(yīng)力就高蠕變極限、持久強(qiáng)度、剩余應(yīng)力就高u 設(shè)計(jì)耐熱鋼及耐熱合金時(shí)，一般選設(shè)計(jì)耐熱鋼及耐熱合金時(shí)，一般選熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散激活熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散激活能大，層錯(cuò)能低能大，層錯(cuò)能低的元素及合金。的元素及合金。u 加入加入Cr，W等元素，可等元素，可降低層錯(cuò)能降低層錯(cuò)能，提高蠕變極限。，提高蠕變極限。（2）組織結(jié)構(gòu)（熱處理工藝）組織結(jié)構(gòu)（熱處理工藝）u 珠光體耐熱鋼珠光體耐熱鋼，一般采用，一

14、般采用正火加高溫回火正火加高溫回火工藝，工藝，以促使碳化物較充分而均勻地溶于奧氏體中，以促使碳化物較充分而均勻地溶于奧氏體中，提高提高其組織穩(wěn)定性其組織穩(wěn)定性。u 奧氏體耐熱鋼奧氏體耐熱鋼，一般進(jìn)行，一般進(jìn)行固溶處理和時(shí)效固溶處理和時(shí)效，得到，得到適當(dāng)?shù)木Я６?，并改善?qiáng)化相的分布，可適當(dāng)?shù)木Я６龋⒏纳茝?qiáng)化相的分布，可提高其持提高其持久強(qiáng)度久強(qiáng)度。u GH78等鐵基合金等鐵基合金，采用，采用形變熱處理形變熱處理改變晶界形改變晶界形狀，并在晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界，可狀，并在晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界，可提高其持久提高其持久強(qiáng)度強(qiáng)度。（3）晶粒尺寸）晶粒尺寸u 當(dāng)使用溫度當(dāng)使用溫度低于低于等強(qiáng)溫度時(shí)，

15、等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)晶粒鋼細(xì)晶粒鋼有較高的強(qiáng)度；當(dāng)使用溫度有較高的強(qiáng)度；當(dāng)使用溫度高于高于等強(qiáng)溫度等強(qiáng)溫度時(shí)，時(shí)，粗晶粒鋼粗晶粒鋼有較高的蠕變抗力與持久強(qiáng)有較高的蠕變抗力與持久強(qiáng)度。但太大會(huì)降低其沖擊韌性，對(duì)耐熱鋼度。但太大會(huì)降低其沖擊韌性，對(duì)耐熱鋼及合金而言，一般以及合金而言，一般以24級(jí)晶粒度較好。級(jí)晶粒度較好。u 晶粒度不均勻晶粒度不均勻可降低其高溫性能。可降低其高溫性能。2。外部因素。外部因素（1）應(yīng)力）應(yīng)力 材料的材料的蠕變性能和蠕變速率蠕變性能和蠕變速率主要取決于主要取決于應(yīng)力水平應(yīng)力水平，高，高應(yīng)力下蠕變速率高，低應(yīng)力下蠕變速率低。應(yīng)力下蠕變速率高，低應(yīng)力下蠕變速率低。（2）溫度）溫度

16、 蠕變激活能和擴(kuò)散激活能蠕變激活能和擴(kuò)散激活能都是都是溫度溫度的函數(shù)，溫度的改的函數(shù)，溫度的改變會(huì)引起二者相對(duì)大小的變化，進(jìn)而使變會(huì)引起二者相對(duì)大小的變化，進(jìn)而使蠕變機(jī)理蠕變機(jī)理發(fā)生改變。發(fā)生改變。第二節(jié) 其他高溫力學(xué)性能一、高溫短時(shí)拉伸性能一、高溫短時(shí)拉伸性能目的：目的：p p、s s、b b、；方法：加裝方法：加裝管式電爐管式電爐及及測量和控溫裝置測量和控溫裝置。規(guī)范：規(guī)范：l保溫時(shí)間：大于等于保溫時(shí)間：大于等于15min15min；l加載速率：加載速率：0.0030.0030.007m/min;0.007m/min;二、高溫硬度二、高溫硬度方法：方法：l低溫：低溫：布氏、洛氏、維氏硬度加熱保溫箱；布氏、洛氏、維氏硬度加熱保溫箱；l不超過不超過800800：金剛石錐體、硬質(zhì)合金