材料的高溫力學性能

1、第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能1第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能 7-17-1高溫蠕變性能高溫蠕變性能7-27-2其他高溫力學性能其他高溫力學性能第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能2 在航空航天、能源和化工等工業(yè)領域，許多機件在航空航天、能源和化工等工業(yè)領域，許多機件是在高溫下長期服役的，如發(fā)動機、鍋爐、煉油設備是在高溫下長期服役的，如發(fā)動機、鍋爐、煉油設備等。它們對材料的高溫力學性能提出了很高的要求。等。它們對材料的高溫力學性能提出了很高的要求。正確地評價材料、合理地使用材料、研究新的耐高溫正確地評價材料、合理地使用材料、研究新的耐高溫材

2、料，成為上述工業(yè)發(fā)展和材料科學研究的主要任務材料，成為上述工業(yè)發(fā)展和材料科學研究的主要任務之一。之一。引言引言 第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能3 溫度溫度對材料的力學性能影響很大，而且材料的力學性對材料的力學性能影響很大，而且材料的力學性能隨溫度的變化規(guī)律各不相同。如能隨溫度的變化規(guī)律各不相同。如金屬材料隨著溫度的升金屬材料隨著溫度的升高，強度極限逐漸降低，斷裂方式由穿晶斷裂逐漸向沿晶高，強度極限逐漸降低，斷裂方式由穿晶斷裂逐漸向沿晶斷裂過渡斷裂過渡。時間時間是影響材料高溫力學性能的又一重要因素，是影響材料高溫力學性能的又一重要因素，在常溫下，時間對材料的力學性能幾乎沒有影

3、響，而在常溫下，時間對材料的力學性能幾乎沒有影響，而 在在高溫時，力學性能就表現(xiàn)出了時間效應高溫時，力學性能就表現(xiàn)出了時間效應。 所謂溫度的高低，是相對于材料的熔點而言的，一般用所謂溫度的高低，是相對于材料的熔點而言的，一般用“約比溫度約比溫度(TTm)”來描述，其中，來描述，其中，T為試驗溫度，為試驗溫度，Tm為為材料熔點，都采用熱力學溫度表示。材料熔點，都采用熱力學溫度表示。 當當TTmO.4-O.5時為高溫，反之則為低溫。時為高溫，反之則為低溫。第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能4 7-1高溫蠕變性能高溫蠕變性能 材料在高溫下力學行為的一個重要特點就是產(chǎn)生蠕變。材料在高溫

4、下力學行為的一個重要特點就是產(chǎn)生蠕變。所謂所謂蠕變?nèi)渥兙褪蔷褪遣牧显陂L時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地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)象產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由于這種變形而最后導致材料的斷。由于這種變形而最后導致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。裂稱為蠕變斷裂。 嚴格地講，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，嚴格地講，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低溫時，蠕在低溫時，蠕變效應不明顯，可以不予考慮；當約比溫度大于變效應不明顯，可以不予考慮；當約比溫度大于0.30.3時，時，蠕變效應比較顯著蠕變效應比較顯著，此時必須考慮蠕變的影響，如碳鋼超，此時必須考慮蠕變的影響，如碳鋼超過過300300、合金鋼超過、合

5、金鋼超過400400，就必須考慮蠕變效應。，就必須考慮蠕變效應。一、蠕變的一般規(guī)律一、蠕變的一般規(guī)律第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能5 7-1高溫蠕變性能高溫蠕變性能 蠕變過程可以用蠕變曲線來描述。對于蠕變過程可以用蠕變曲線來描述。對于金屬材料金屬材料和陶瓷材料和陶瓷材料，典型的蠕變曲線如圖，典型的蠕變曲線如圖7-1所示。所示。OA線段是施線段是施加載荷后，試樣產(chǎn)生的瞬時應變加載荷后，試樣產(chǎn)生的瞬時應變o，不屬于蠕變。，不屬于蠕變。一、蠕變的一般規(guī)律一、蠕變的一般規(guī)律第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能6 7-1高溫蠕變性能高溫蠕變性能曲線上任一點的斜率，表示該

6、點曲線上任一點的斜率，表示該點的蠕變速率的蠕變速率(=d/dt）按照蠕變）按照蠕變速率的變化，可將蠕變過程分為速率的變化，可將蠕變過程分為3個階段。個階段。一、蠕變的一般規(guī)律一、蠕變的一般規(guī)律第第階段；階段；AB段，稱為段，稱為減速蠕變階段減速蠕變階段(又稱過渡蠕變階段又稱過渡蠕變階段)。第第階段：階段：BC段，稱為段，稱為恒速蠕變階段恒速蠕變階段(又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段）。）。第第階段：階段：cD段，稱為段，稱為加速蠕變階段加速蠕變階段(又稱為失穩(wěn)蠕變階段又稱為失穩(wěn)蠕變階段)。第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能7 7-1高溫蠕變性能高溫蠕變性能 蠕變曲線隨應力的大小

7、和溫度的高低而變化，如圖所蠕變曲線隨應力的大小和溫度的高低而變化，如圖所示，在恒溫下改變應力，或在恒定應力下改變溫度，蠕變示，在恒溫下改變應力，或在恒定應力下改變溫度，蠕變曲線都將發(fā)生變化。曲線都將發(fā)生變化。當減小應力或降低溫度時，蠕變第當減小應力或降低溫度時，蠕變第階段延長，甚至不出現(xiàn)第階段延長，甚至不出現(xiàn)第階段階段。一、蠕變的一般規(guī)律一、蠕變的一般規(guī)律第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能8 7-1高溫蠕變性能高溫蠕變性能 當增加應力或提高溫度時，蠕變第當增加應力或提高溫度時，蠕變第階段縮短，甚至消階段縮短，甚至消失，試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進入第失，試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進入第

8、階段而斷裂階段而斷裂。一、蠕變的一般規(guī)律一、蠕變的一般規(guī)律第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能9 高分子材料由于其粘彈性決定了與金屬材料、陶瓷高分子材料由于其粘彈性決定了與金屬材料、陶瓷材料不同的蠕變特性，蠕變曲線也可分為材料不同的蠕變特性，蠕變曲線也可分為3個階段。個階段。第第階段階段：AB段，為可逆形變階段，是普通的彈性變段，為可逆形變階段，是普通的彈性變形，即應力和應變成正比；形，即應力和應變成正比；第第階段階段：BC段，為推遲的彈性變形階段，也稱高彈段，為推遲的彈性變形階段，也稱高彈性變形發(fā)展階段；性變形發(fā)展階段；第第階段階段：CD段，為不可逆變形階段，是以較小的恒段，為

9、不可逆變形階段，是以較小的恒定應變速率產(chǎn)生變形，到后期，會產(chǎn)生縮頸，發(fā)生蠕變定應變速率產(chǎn)生變形，到后期，會產(chǎn)生縮頸，發(fā)生蠕變斷裂。斷裂。第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能10 7-1高溫蠕變性能高溫蠕變性能 彈性變形引起的蠕變，當載荷去除后，可以發(fā)生回復，彈性變形引起的蠕變，當載荷去除后，可以發(fā)生回復，稱為蠕變回復稱為蠕變回復，這是高分子材料的蠕變與其他材料的不同，這是高分子材料的蠕變與其他材料的不同之一。材料不同或試驗條件不同時，蠕變曲線的之一。材料不同或試驗條件不同時，蠕變曲線的3 3個階段的個階段的相對比例會發(fā)生變化，但總的特征是相似的。相對比例會發(fā)生變化，但總的特征是相

10、似的。一、蠕變的一般規(guī)律一、蠕變的一般規(guī)律第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能11 7-1高溫蠕變性能高溫蠕變性能 1.1.蠕變變形機理蠕變變形機理 材料的蠕變變形機理主要有位錯滑移、原子擴散和晶材料的蠕變變形機理主要有位錯滑移、原子擴散和晶界滑動，對于高分子材料還有分子鏈段沿外力的舒展。界滑動，對于高分子材料還有分子鏈段沿外力的舒展。 （1 1）位錯滑移蠕變機理位錯滑移蠕變機理 材料的塑性形變主要是由于材料的塑性形變主要是由于位錯的滑移引起的，在一定的載荷作用下，滑移面上的位位錯的滑移引起的，在一定的載荷作用下，滑移面上的位錯運動到一定程度后，位錯運動受阻發(fā)生塞積，就不能繼錯運

11、動到一定程度后，位錯運動受阻發(fā)生塞積，就不能繼續(xù)滑移，也就是只能產(chǎn)生一定的塑性形變。續(xù)滑移，也就是只能產(chǎn)生一定的塑性形變。二、蠕變變形及斷裂機理二、蠕變變形及斷裂機理第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能12在蠕變第在蠕變第階段，由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生變形硬化，使階段，由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生變形硬化，使位錯源開動的阻力和位錯滑動的阻力逐漸增大位錯源開動的阻力和位錯滑動的阻力逐漸增大，致使蠕，致使蠕變速率不斷降低，因而形成了減速蠕變階段。變速率不斷降低，因而形成了減速蠕變階段。 在蠕變的第在蠕變的第階段，由于形變硬化的不斷發(fā)展，階段，由于形變硬化的不斷發(fā)展，促進了動態(tài)回復的發(fā)生，使材料不

12、斷軟化。促進了動態(tài)回復的發(fā)生，使材料不斷軟化。當形變硬化當形變硬化和回復軟化達到動態(tài)平衡時，蠕變速率遂為一常數(shù)和回復軟化達到動態(tài)平衡時，蠕變速率遂為一常數(shù)，因，因此形成了恒速蠕變階段。此形成了恒速蠕變階段。第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能13（2 2）擴散蠕變機理擴散蠕變機理 在較高溫度下，原子和空位可以在較高溫度下，原子和空位可以發(fā)生熱激活擴散，在不受外力的情況下，它們的擴散發(fā)生熱激活擴散，在不受外力的情況下，它們的擴散是隨機的，在宏觀上沒有表現(xiàn)。在外力作用下，晶體是隨機的，在宏觀上沒有表現(xiàn)。在外力作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應力場，原子和空位在不同位置具有內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應力

13、場，原子和空位在不同位置具有不同的勢能，它們會有高勢能位向低勢能位進行定向不同的勢能，它們會有高勢能位向低勢能位進行定向擴散。擴散。 空位的擴散引起原子反向擴散，從而引起晶粒沿空位的擴散引起原子反向擴散，從而引起晶粒沿拉伸軸方向伸長，垂直與拉伸軸方向收縮，致使晶體拉伸軸方向伸長，垂直與拉伸軸方向收縮，致使晶體產(chǎn)生蠕變。產(chǎn)生蠕變。第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能14 （3 3）晶體滑動蠕變機理晶體滑動蠕變機理 晶界在外力的作用下，會發(fā)生晶界在外力的作用下，會發(fā)生相對滑動變形，在常溫下，可以忽略不計，但在高溫時，相對滑動變形，在常溫下，可以忽略不計，但在高溫時，晶界的相對滑動可以

14、引起明顯的塑性形變，產(chǎn)生蠕變。晶界的相對滑動可以引起明顯的塑性形變，產(chǎn)生蠕變。 （4 4）粘彈性機理粘彈性機理 高分子材料在恒定應力的作用下，分高分子材料在恒定應力的作用下，分子鏈由卷曲狀態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形。當外力減小或子鏈由卷曲狀態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形。當外力減小或去除后，體系自發(fā)地趨向熵值增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展去除后，體系自發(fā)地趨向熵值增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展狀態(tài)向卷曲狀態(tài)回復，表現(xiàn)為高分子材料的蠕變回復特性。狀態(tài)向卷曲狀態(tài)回復，表現(xiàn)為高分子材料的蠕變回復特性。第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能15 7-1高溫蠕變性能高溫蠕變性能 2.2.蠕變斷裂機理蠕變斷裂機理

15、 蠕變斷裂有兩種情況：一種情況是蠕變斷裂有兩種情況：一種情況是對于那些不含裂對于那些不含裂紋的高溫機件紋的高溫機件，在高溫長期服役過程中，由于蠕變裂紋，在高溫長期服役過程中，由于蠕變裂紋相對均勻地在機件內(nèi)部萌生和擴展，顯微結構變化引起相對均勻地在機件內(nèi)部萌生和擴展，顯微結構變化引起的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導致的斷裂；另一種情的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導致的斷裂；另一種情況是高溫工程機件中，況是高溫工程機件中，原來就存在裂紋或類似裂紋的缺原來就存在裂紋或類似裂紋的缺陷陷，其裂紋是主裂紋擴展引起的，屬于高溫斷裂力學的，其裂紋是主裂紋擴展引起的，屬于高溫斷裂力學的范疇。范疇。二、蠕變變形及斷裂

16、機理二、蠕變變形及斷裂機理第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能16 晶間斷裂是蠕變斷裂的普遍形式，溫度升高，多晶體晶間斷裂是蠕變斷裂的普遍形式，溫度升高，多晶體晶內(nèi)及晶界強度都隨之降低，但后者降低更快，造成高溫晶內(nèi)及晶界強度都隨之降低，但后者降低更快，造成高溫下晶界的相對強度較低的緣故。通常將晶界和晶內(nèi)強度相下晶界的相對強度較低的緣故。通常將晶界和晶內(nèi)強度相等的溫度稱為等的溫度稱為等溫強度等溫強度。 晶界斷裂有兩種模型：晶界斷裂有兩種模型：一種是晶界滑動和應力集中模一種是晶界滑動和應力集中模型，另一種是空位聚集模型型，另一種是空位聚集模型。第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高

17、溫力學性能17 1.1.蠕變極限蠕變極限 蠕變極限表示材料對高溫蠕變變形的抗力，是選用蠕變極限表示材料對高溫蠕變變形的抗力，是選用高溫材料、設計高溫下服役機件的主要性能依據(jù)之一。高溫材料、設計高溫下服役機件的主要性能依據(jù)之一。 蠕變極限的表示方法有兩種：蠕變極限的表示方法有兩種： 第一種方法，第一種方法，在給定的溫度下，使試樣在蠕變第二在給定的溫度下，使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力，階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力，定義為蠕變極定義為蠕變極限。限。 第二種方法，第二種方法，在給定溫度和時間的條件下，使試樣在給定溫度和時間的條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應變的最大應力，產(chǎn)生規(guī)

18、定的蠕變應變的最大應力，定義為蠕變極限。定義為蠕變極限。三、蠕變性能指標三、蠕變性能指標第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能18 2.2.持久強度持久強度 某些在高溫下工作的機件，蠕變變形很小或?qū)ψ冃我承┰诟邷叵鹿ぷ鞯臋C件，蠕變變形很小或?qū)ψ冃我蟛粐栏瘢灰髾C件在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂。在這種情求不嚴格，只要求機件在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂。在這種情況下，要用持久強度作為評價材料、設計機件的主要依據(jù)。況下，要用持久強度作為評價材料、設計機件的主要依據(jù)。 持久強度持久強度是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)，不是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應力發(fā)生蠕變斷裂的最大

19、應力。 材料的持久強度是實驗測定的，持久強度試驗時間通材料的持久強度是實驗測定的，持久強度試驗時間通常比蠕變極限試驗要長得多，可達幾萬至幾十萬常比蠕變極限試驗要長得多，可達幾萬至幾十萬h h。第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能19 3.3.松弛穩(wěn)定性松弛穩(wěn)定性 材料材料在恒定變形的條件下，隨著時間的延長，彈在恒定變形的條件下，隨著時間的延長，彈性應力逐漸降低的現(xiàn)象性應力逐漸降低的現(xiàn)象稱為稱為應力松弛應力松弛。材料抵抗應力。材料抵抗應力松弛的能力稱為松弛穩(wěn)定性。松弛的能力稱為松弛穩(wěn)定性。 松弛穩(wěn)定性可以通過松弛試驗測定的應力松弛曲松弛穩(wěn)定性可以通過松弛試驗測定的應力松弛曲線來評定

20、，曲線是在規(guī)定溫度下，對試樣施加載荷，線來評定，曲線是在規(guī)定溫度下，對試樣施加載荷，保持初始變形量恒定，測定試樣上的應力隨時間而下保持初始變形量恒定，測定試樣上的應力隨時間而下降的曲線。降的曲線。第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能20 1.1.內(nèi)在因素內(nèi)在因素 （1 1）化學成分）化學成分 材料的成分不同，蠕變的熱激活能不材料的成分不同，蠕變的熱激活能不同。同。熱激活能高的材料，蠕變變形就困難，蠕變極限、持久熱激活能高的材料，蠕變變形就困難，蠕變極限、持久強度、剩余應力就高強度、剩余應力就高。 對于金屬材料，如設計耐熱鋼及耐熱合金時，一般選用對于金屬材料，如設計耐熱鋼及耐熱合金

21、時，一般選用熔點高、自擴散激活能大和層錯能低的元素及合金。熔點高、自擴散激活能大和層錯能低的元素及合金。 陶瓷材料具有較好的抗高溫蠕變性能。陶瓷材料具有較好的抗高溫蠕變性能。 高分子材料，因材料的粘彈性不同，蠕變性能不同。高分子材料，因材料的粘彈性不同，蠕變性能不同。四、影響蠕變的主要因素四、影響蠕變的主要因素第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能21 （2 2）組織結構）組織結構 對于金屬材料，采用不同的熱處理工藝，對于金屬材料，采用不同的熱處理工藝，可以改可以改變組織結構，從而改變熱激活運動的難易程度變組織結構，從而改變熱激活運動的難易程度。 陶瓷材料，當采用不同的工藝，獲得含

22、有不同第陶瓷材料，當采用不同的工藝，獲得含有不同第二相組織時，其蠕變的機理會發(fā)生改變。二相組織時，其蠕變的機理會發(fā)生改變。第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能22（3 3）晶粒尺寸）晶粒尺寸 對于金屬材料，對于金屬材料，當使用溫度低于等強溫度時，細化當使用溫度低于等強溫度時，細化晶?？梢蕴岣咪摰膹姸?；當使用溫度高于等強溫度時，晶?？梢蕴岣咪摰膹姸?；當使用溫度高于等強溫度時，粗化晶?？梢蕴岣咪摰娜渥儤O限和持久強度粗化晶粒可以提高鋼的蠕變極限和持久強度。 對于陶瓷材料，不同的晶粒尺寸決定了控制蠕變速對于陶瓷材料，不同的晶粒尺寸決定了控制蠕變速率的蠕變機制不同，當晶粒尺寸很大時，蠕變速

23、率受位率的蠕變機制不同，當晶粒尺寸很大時，蠕變速率受位錯滑動和晶內(nèi)擴散的控制，晶粒尺寸小時，其蠕變的機錯滑動和晶內(nèi)擴散的控制，晶粒尺寸小時，其蠕變的機理復雜。理復雜。第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能23 2.2.外部因素外部因素 （1 1）應力）應力 材料的蠕變性能和蠕變速率主要取決于應力水平，材料的蠕變性能和蠕變速率主要取決于應力水平，高應力下蠕變速率高，低應力下蠕變速率低高應力下蠕變速率高，低應力下蠕變速率低。 （2 2）溫度）溫度 蠕變是熱激活過程，蠕變激活能和擴散激活能的蠕變是熱激活過程，蠕變激活能和擴散激活能的相對關系，影響蠕變機制。相對關系，影響蠕變機制。 對于高

24、分子材料，對于高分子材料，隨溫度的升高，蠕變變形量增隨溫度的升高，蠕變變形量增加，蠕變速率增大加，蠕變速率增大。四、影響蠕變的主要因素四、影響蠕變的主要因素第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能24 7-2其他高溫力學性能其他高溫力學性能 在特殊情況下，如火箭、導彈上的零件工作時間很短，在特殊情況下，如火箭、導彈上的零件工作時間很短，蠕變現(xiàn)象不起決定的作用，又如制定鋼的熱鍛軋工藝時，蠕變現(xiàn)象不起決定的作用，又如制定鋼的熱鍛軋工藝時，需要了解鋼材的熱塑性。需要了解鋼材的熱塑性。 高溫拉伸試驗的拉伸速率對性能的影響比室溫時大得多，高溫拉伸試驗的拉伸速率對性能的影響比室溫時大得多，要求試

25、樣在屈服前的應變速率在要求試樣在屈服前的應變速率在0.003-0.007m/min。一、高溫短時拉伸性能一、高溫短時拉伸性能第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能25 7-2其他高溫力學性能其他高溫力學性能 材料在外力的作用下，首先發(fā)生彈性變形，隨后出現(xiàn)材料在外力的作用下，首先發(fā)生彈性變形，隨后出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，發(fā)生塑性變形，到一定程度以后，發(fā)生斷裂。屈服現(xiàn)象，發(fā)生塑性變形，到一定程度以后，發(fā)生斷裂。 有些材料在高溫時，有些材料在高溫時，其不可逆的永久變形沒有屈服現(xiàn)其不可逆的永久變形沒有屈服現(xiàn)象，通常把這種高溫下產(chǎn)生的不可逆永久性變形象，通常把這種高溫下產(chǎn)生的不可逆永久性變形稱為稱為粘性粘性流動變形，也稱為粘性變形流動變形，也稱為粘性變形，材料發(fā)生在粘性變形的能力，材料發(fā)生在粘性變形的能力稱為粘性。稱為粘性。二、高溫下材料的粘性流動性能二、高溫下材料的粘性流動性能第七章第七章 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能26 7-2其他高溫力學性能其他高溫力學性能 硬度是反應材料抵抗局部塑性變形能力的力學性能硬度是反應材料抵抗局