第7章 材料的高溫力學(xué)性能學(xué)

1、金屬金屬高溫力學(xué)性能高溫力學(xué)性能第七章第七章本章主要內(nèi)容高溫蠕變性能高溫蠕變性能其他高溫力學(xué)性能其他高溫力學(xué)性能 在航空航天、能源和化工等工業(yè)領(lǐng)域，許多機(jī)件是在航空航天、能源和化工等工業(yè)領(lǐng)域，許多機(jī)件是在高溫下長期服役的（在高溫下長期服役的（如高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)動機(jī)及如高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)動機(jī)及化工煉油設(shè)備化工煉油設(shè)備等），溫度和高溫下的持續(xù)時間對金屬力學(xué)性等），溫度和高溫下的持續(xù)時間對金屬力學(xué)性能的影響很大。能的影響很大。約比溫度：約比溫度：T/TT/Tmm T T試驗溫度試驗溫度 T Tmm材料熔點材料熔點 當(dāng)當(dāng)T/TT/Tmm0.4-0.50.4-0.5時為高溫，反之為低溫時為

2、高溫，反之為低溫時間是影響材料高溫性能的又一重要因素時間是影響材料高溫性能的又一重要因素溫度對材料的力學(xué)性能影響很大溫度對材料的力學(xué)性能影響很大（1）強度極限隨溫度上升而下降；（2）斷裂方式由穿晶斷裂變?yōu)檠鼐嗔?；?）常溫強化手段失效；（4）韌脆特性發(fā)生轉(zhuǎn)變。（1）力學(xué)性能表現(xiàn)出時間效應(yīng)：強度極限隨時間的延長而下降。第一節(jié) 高溫蠕變性能金屬、陶瓷的蠕變曲線蠕變：蠕變： 材料在長時間的恒溫，恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象導(dǎo)致的材料斷裂稱為蠕變斷裂一、蠕變的一般規(guī)律一、蠕變的一般規(guī)律材料在高溫下力學(xué)行為的一個重要特點是產(chǎn)生蠕變。1）蠕變發(fā)生在任何溫度。低溫時不明顯，高溫時必須考慮

3、。2）蠕變過程可以分成三個階段。第I階段 減速蠕變階段，開始的蠕變速率很大，隨著時間的延長，蠕變速率降低，在B點，蠕變速率達(dá)到最小值第II階段 恒速蠕變階段，蠕變速率不變（穩(wěn)態(tài)蠕變階段），表示材料的蠕變速率為常數(shù)第III階段 加速蠕變階段，蠕變速率，D點發(fā)生蠕變斷裂蠕變與時間的關(guān)系可表示為：)()(0tDttf （a) a) 等溫曲線（等溫曲線（4 43 3 2 2 1 1） (b) (b) 等應(yīng)力曲線（等應(yīng)力曲線（T T4 4 T T3 3 T T2 2 T T1 1）3）蠕變過程受溫度、應(yīng)力影響(1)(1)位錯滑移位錯滑移（a a）逾越障礙在新的滑移面上運動（）逾越障礙在新的滑移面上運動（

4、b b）與臨近滑移面上的異號位錯反應(yīng)（與臨近滑移面上的異號位錯反應(yīng)（c c）形）形成小角晶界成小角晶界 （d d）消失于大角晶界）消失于大角晶界刃型位錯攀移克服障礙模型刃型位錯攀移克服障礙模型材料的塑性變形由位錯滑移引起，當(dāng)位錯運動到一定程度后，位錯運動會受阻塞積，常溫下如果要繼續(xù)滑移，必須加大載荷。但在高溫下，由于溫度的升高，原子和空位熱激活增加，位錯可以克服某些障礙得以運動，繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形。由于被塞積位錯數(shù)量減少，位錯源的反作用力減少，位錯源可以重新開動，位錯得以增殖，產(chǎn)生蠕變變形。二、蠕變變形及斷裂機(jī)理二、蠕變變形及斷裂機(jī)理1.蠕變變形機(jī)理蠕變變形機(jī)理在蠕變的第階段，由于蠕變變形逐漸產(chǎn)

5、生硬化，使位錯源開動的阻力和位錯滑動的阻力逐漸增大，致使蠕變速率不斷降低，形成減速蠕變階段。在第階段，變形硬化的不斷發(fā)展，促進(jìn)了動態(tài)回復(fù)的發(fā)生，材料不斷軟化，當(dāng)變形硬化速率回復(fù)軟化速率時，蠕變速率為一常數(shù)，恒速蠕變階段。微觀機(jī)理與宏觀規(guī)律的對應(yīng)關(guān)系：微觀機(jī)理與宏觀規(guī)律的對應(yīng)關(guān)系： 擴(kuò)散蠕變機(jī)理示意圖擴(kuò)散蠕變機(jī)理示意圖 虛線：原子擴(kuò)散方向虛線：原子擴(kuò)散方向 實線：空位擴(kuò)散方向?qū)嵕€：空位擴(kuò)散方向(2)(2)擴(kuò)散蠕變機(jī)理擴(kuò)散蠕變機(jī)理較高溫度下，原子和空位可以發(fā)生熱激活擴(kuò)散，在不受外力的情況下，擴(kuò)散方向是隨機(jī)的。但是在外力作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場，原子和空穴在不同位置具有不同勢能。在拉應(yīng)力下，

6、空位在A、B位置的勢能高于C、D位置，所以空位會往C、D位置擴(kuò)散。原子擴(kuò)散方向相反。(3)(3)晶界滑動晶界滑動晶界在外力作用下，會發(fā)生相對滑動變形，在常溫下可以忽略不計，但在高溫下相對滑動會引起明顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕變。(4)(4)粘彈性機(jī)理粘彈性機(jī)理高分子材料在恒定應(yīng)力下，分子鏈由卷曲狀態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形。蠕變斷裂有兩種情況：1）一種情況是對于不含裂紋的高溫機(jī)件，在高溫長期服役過程中，由于蠕變裂紋均勻萌生和擴(kuò)展以及顯微結(jié)構(gòu)變化引起的蠕變抗力的降低引起的斷裂；2）另一種情況是高溫工程機(jī)件中，原來就存在裂紋，其斷裂由主裂紋的擴(kuò)展引起。2.蠕變斷裂機(jī)理蠕變斷裂機(jī)理晶間斷裂時蠕變斷裂的普遍形

7、式。因為高溫下，晶界強度比晶內(nèi)強度更快地下降。通常將晶內(nèi)強度和晶界強度相等的溫度稱為等強溫度等強溫度。模型：模型：(1)(1)晶界滑動和應(yīng)力集中晶界滑動和應(yīng)力集中在蠕變溫度下，持續(xù)的載荷將導(dǎo)致位于最大切應(yīng)力方向的晶界滑動，這種滑動必然在三晶粒交界處應(yīng)力集中，如果這種應(yīng)力集中不能被滑動晶界前方晶粒的塑性變形或晶界遷移所松弛，那么當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到晶界的結(jié)合強度時，在三晶粒交界處必然發(fā)生開裂，形成空洞。楔形空洞形成示意圖 (2)(2)空位聚集模型空位聚集模型在垂直于拉應(yīng)力的晶界，當(dāng)應(yīng)力水平超過臨界值時，通過空位聚集的方式萌生空洞。在應(yīng)力作用下，空位由晶內(nèi)和沿晶界繼續(xù)向空洞處擴(kuò)散，使空洞長大并相互連接形

8、成裂紋。裂紋形成后，隨時間的延長，裂紋不斷擴(kuò)展，達(dá)到臨界值時，材料發(fā)生蠕變斷裂?？瘴痪奂纬煽斩词疽鈭D三、蠕變性能指標(biāo)三、蠕變性能指標(biāo)1.蠕變極限蠕變極限蠕變極限、持久強度、松弛穩(wěn)定性1) 在給定溫度下，使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力,定義為蠕變極限，記作兩種表示方法：TMPa805001015例如：例如：表示在500攝氏度的條件下，第二階段的穩(wěn)定蠕變速率等于1e-5%/h的蠕變極限為80MPa。2) 在給定溫度和時間的條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應(yīng)變的最大應(yīng)力，定義為蠕變極限，記作，例如：例如：表示在500攝氏度的條件下，10000h產(chǎn)生1的蠕變應(yīng)變的蠕變極限為100MP

9、aTt /MPa10050010000/1nA經(jīng)驗公式：經(jīng)驗公式：正常測試材料蠕變極限方法：在同一溫度、不同應(yīng)力下進(jìn)行蠕變試驗，測出不少于4條蠕變曲線，求出蠕變曲線第二階段的斜率。 材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)，材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)，不發(fā)生蠕不發(fā)生蠕變斷裂變斷裂的最大應(yīng)力，記作：的最大應(yīng)力，記作：例：例：表示材料在表示材料在600600下工作下工作1000h1000h的持久強度為的持久強度為200MPa200MPaTtMPa200600103mfAt經(jīng)驗公式：經(jīng)驗公式：2: 2: 持久強度持久強度 一些高溫下工作的緊固零件（如汽輪機(jī)缸蓋或法蘭盤上的緊固螺栓）原具有初始緊固應(yīng)力i

10、,相應(yīng)地產(chǎn)生彈性形變?yōu)閕/E，但經(jīng)過一段時間后緊固應(yīng)力不斷下降，從而會產(chǎn)生蒸汽泄漏。在鐵軌螺栓檢修，橡膠帶彈性等場合常遇到。3.3.松弛穩(wěn)定性松弛穩(wěn)定性 材料在恒變形條件下，隨時間的延長，彈性應(yīng)力逐材料在恒變形條件下，隨時間的延長，彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛（由蠕變引起）。（由蠕變引起）?，F(xiàn)象現(xiàn)象: : 應(yīng)力松弛現(xiàn)象應(yīng)力松弛現(xiàn)象是在溫度和總應(yīng)變量不變的情況下，由于彈性是在溫度和總應(yīng)變量不變的情況下，由于彈性變形不斷地轉(zhuǎn)化為塑性變形，即逐漸發(fā)生蠕變，從而使初始變形不斷地轉(zhuǎn)化為塑性變形，即逐漸發(fā)生蠕變，從而使初始應(yīng)力不斷下降應(yīng)力不斷下降 。應(yīng)力松弛是蠕變的結(jié)果。應(yīng)力

11、松弛是蠕變的結(jié)果。剩余應(yīng)力sh是評價材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的一個指標(biāo)。剩余應(yīng)力愈高，其松弛穩(wěn)定性愈好。四四. .影響蠕變性能的主要因素影響蠕變性能的主要因素1.內(nèi)部因素內(nèi)部因素（1）化學(xué)成分化學(xué)成分 一般選用熔點高、自擴(kuò)散激活能大和層錯能低的元素及合金。在金屬基體中加入合金元素，如果是形成固溶體，除能產(chǎn)生固溶強化，還因為合金元素使層錯能降低，易形成擴(kuò)展位錯，且溶質(zhì)原子與溶劑原子的結(jié)合力較強，增大了擴(kuò)散激活能，從而提高了蠕變極限。如果是形成彌散相的合金元素，則由于彌散相能阻礙位錯的滑移，提高高溫強度。陶瓷材料，由于是共價鍵或離子鍵結(jié)構(gòu)，具有很強的方向性，滑移過程會受到很強的靜電排斥力作用，因此具有較

12、強的抗蠕變能力。高分子材料的抗蠕變性能較弱。（2）組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 金屬材料采用不同的熱處理工藝，可以改變組織結(jié)構(gòu)，從而改變熱激活的難易程度。如珠光體耐熱鋼，一般采用正火加高溫回火工藝，正火溫度高，以促使碳化物充分而均勻地溶解在奧氏體中，回火溫度應(yīng)高于使用溫度100-150度，以提高在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。（3）晶粒尺寸晶粒尺寸 細(xì)化晶粒在常溫下可以同時提高材料強度、硬度和韌性。但在高溫下，其影響不確定。當(dāng)使用溫度低于等強溫度時，細(xì)化晶?？梢蕴岣咪摰膹姸?；當(dāng)使用溫度高于等強溫度時，粗化晶?？梢蕴岣咪摰娜渥儤O限和持久強度。2.外部因素外部因素（1）應(yīng)力應(yīng)力 材料的蠕變性能和蠕變速率主要取決于應(yīng)力水平，高應(yīng)力水平下蠕變速率高，低應(yīng)力水平下蠕變速率低。（2）溫度溫度 材料蠕變是熱激活過程，蠕變激活能和擴(kuò)散激活能的相對關(guān)系，影響著蠕變機(jī)制。二、 其他高溫力學(xué)性能1.高溫短時拉伸性能高溫短時拉伸性能試樣按常溫試驗要求制備，裝入電爐中，兩端用特制的連桿引出爐外，夾在試驗機(jī)夾頭上。為了準(zhǔn)確測量試樣溫度，最好將熱電偶的熱接點用石棉繩綁在試樣標(biāo)距部分。加熱到規(guī)定溫度后，保溫時間不少于15min，然后進(jìn)行拉伸試驗。2.高溫下材料的粘性流動性能高溫下材料的粘性流動性能高分子材料隨溫度的變化可處于玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)3種狀態(tài)。3.高溫硬度高溫硬度4.高溫疲勞性能高溫疲勞性