第三章高溫結(jié)構(gòu)材料1

第三章高溫結(jié)構(gòu)材料主要內(nèi)容材料的高溫性能指標航空高溫結(jié)構(gòu)部件的工作特點高溫鈦合金：高溫鈦合金應(yīng)用概況，新型高溫鈦合金的發(fā)展思路，阻燃鈦合金、鑄造熱強鈦合金鎳基高溫合金：鎳基高溫合金和合金化原則，變形及粉末冶金高溫合金主要內(nèi)容金屬間化合物：Ti-Al系金屬間化合物，Ni-Al金屬間化合物，Mo-Si系金屬間化合物難熔金屬及其合金：鉬及其合金，鉭合金，鈮合金、鎢合金重點：航空高溫結(jié)構(gòu)部件的工作特點及對材料

的要求；高溫鈦合金難點：金屬間化合物

HeS3B離心式噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖軸流式渦輪噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖渦扇噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖F-119-PW-100雙轉(zhuǎn)子加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)燃氣輪機結(jié)構(gòu)高壓蒸汽鍋爐、汽輪機、燃氣輪機、柴油機、化工煉油設(shè)備以及航空發(fā)動機中的構(gòu)件都是長期在高溫條件下工作的。材料的高溫力學(xué)性能不同于室溫。何謂高溫？金屬材料：T>0.3-0.4Tm；(Tm為材料的熔點，以絕對溫度K計算)陶瓷材料：T>0.4-0.5Tm；高分子材料T>Tg

（Tg為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）約比溫度緒論材料在高溫下將發(fā)生蠕變現(xiàn)象（材料在恒定應(yīng)力的持續(xù)作用下不斷地發(fā)生變形）；材料在高溫下的強度與載荷作用的時間有關(guān)，載荷作用時間越長，引起變形的抗力越?。徊牧显诟邷叵虏粌H強度降低，而且塑性也降低。應(yīng)變速率越低，作用時間越長，塑性降低越顯著，甚至出現(xiàn)脆性斷裂；與蠕變現(xiàn)象相伴隨的還有高溫應(yīng)力松弛（恒定應(yīng)變下，材料內(nèi)部的應(yīng)力隨時間降低的現(xiàn)象）；溫度對材料力學(xué)性能的影響高溫結(jié)構(gòu)材料：英文名稱：high

temperature

structure

material定義：高溫環(huán)境條件下，使用的結(jié)構(gòu)材料。先進的高溫結(jié)構(gòu)材料主要包括先進的高溫鈦合金、高溫合金、金屬間化合物、金屬基復(fù)合材料、陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料等。要求：高溫強度、耐蝕、高的熱導(dǎo)率、低的膨脹率、良好的工藝性等。3.1材料的高溫性能指標高溫下的結(jié)構(gòu)零件有兩方面的破壞因素：一是高溫下產(chǎn)生氧化與腐蝕引起的破壞；二是高溫下的熱強度不足引起的破壞。所以衡量高溫結(jié)構(gòu)材料的主要性能指標有兩項：熱穩(wěn)定性和熱強度。熱穩(wěn)定性

在高溫下，金屬材料抵抗氧化腐蝕的能力，稱為熱穩(wěn)定性。它是以一定溫度下，單位時間內(nèi)面積上金屬損失或增加的重量來表示，其單位為g/m2?h。在其他條件相同的情況下，失重或增重越少，熱穩(wěn)定性就越高。3.1.1熱穩(wěn)定性提高熱穩(wěn)定的途徑主要有：對材料進行表面化學(xué)熱處理，如滲鋁、滲鉻、滲硅等是合金化，即在材料中加入適量的鋁、鉻、硅等元素；鋁、硅使材料變脆，少量，鉻是提高熱穩(wěn)定性的主要元素；在材料表面涂覆耐氧化涂層，如鍍鎳、鍍鉻等鍍層、采用熱噴涂陶瓷涂層等，來阻礙氧原子向金屬基體擴散而氧化零件。3.1.2熱強度

在高溫下，金屬抵抗變形和破壞的能力稱為熱強度或高溫強度。衡量金屬材料高溫強度的指標是：蠕變極限和持久強度極限。蠕變（Creep）：材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下，即使應(yīng)力小于屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由于蠕變變形而導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂蠕變材料的蠕變可在任何溫度范圍內(nèi)發(fā)生，不過高溫時，變形速度高，蠕變現(xiàn)象更明顯。陶瓷材料在室溫一般不考慮蠕變；高分子材料在室溫下就能發(fā)生蠕變。蠕變的一般規(guī)律-蠕變曲線式中為蠕變速率，σ為應(yīng)力，T為絕對溫度，t為時間，ε為蠕變變形量，m1和m2為與晶體結(jié)構(gòu)特性和組織因素有關(guān)的參量。穩(wěn)態(tài)(恒速)蠕變階段過渡(減速)蠕變階段式中A、n皆為常數(shù)，且0<n≤1。失穩(wěn)(加速)蠕變階段材料因產(chǎn)生頸縮或裂紋而很快于d點斷裂。第II階段的蠕變速度及τr(持久斷裂時間)、εr(持久斷裂塑性)是材料高溫力學(xué)性能的重要指標。應(yīng)力與溫度對蠕變的影響蠕變曲線與應(yīng)力、溫度有關(guān)。應(yīng)力小、溫度低時，蠕變速率低、第II階段長；應(yīng)力增加、溫度升高后，第II階段變短、甚至消失。蠕變性能指標蠕變極限：材料對高溫蠕變變形的抗力兩種表示方法在給定溫度下，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)力在給定溫度和時間條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變最大應(yīng)力蠕變極限測試程序：在同一溫度、不同應(yīng)力下進行蠕變試驗，測出不少于4條的蠕變曲線；求出蠕變曲線第二階段直線部分的斜率，此即穩(wěn)態(tài)蠕變速率是與材料及實驗條件有關(guān)的常數(shù)單相合金蠕變極限測試裝置持久強度如某材料在700℃承受30MPa的應(yīng)力作用，經(jīng)1000h后斷裂，則稱這種材料在700℃、1000h的持久強度為30MPa，寫成*

持久強度的測定持久強度一般通過作持久試驗測定，只要測定試樣在給定溫度和一定應(yīng)力作用下的斷裂時間。（1）對于設(shè)計壽命為數(shù)百至數(shù)千小時的機件，可以直接用同樣時間的試驗來確定。材料在一定溫度下和規(guī)定時間內(nèi)，不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力應(yīng)力和斷裂時間經(jīng)驗公式（2）對于設(shè)計壽命為數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的機件，一般做出一些應(yīng)力較大、斷裂時間較短的試驗數(shù)據(jù)，畫在lgt-lgσ坐標圖上，聯(lián)成直線，用外推法（時間不超過一個數(shù)量級）求出數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的持久強度。由持久強度試驗，測量試樣在斷裂后的伸長率及斷面收縮率，還能反映出材料在高溫下的持久塑性。高溫長時間加載的條件下，材料的組織結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，因此，在lgt-lgσ雙對數(shù)坐標中，試驗結(jié)果往往不是一條直線，而出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點。其曲線的形狀和轉(zhuǎn)折點的位置隨材料在高溫下的組織穩(wěn)定性和試驗溫度的高低而不同。所以，最好是測出轉(zhuǎn)折點后，再根據(jù)轉(zhuǎn)折點前后時間與應(yīng)力對數(shù)值的線性關(guān)系進行外推。一般還限制外推時間不超過一個數(shù)量級，以使外推結(jié)果誤差不致太大，高溫短時強度，即在一定溫度下所測得的強度(σ0.2、σb、

δ%和ψ%)

高溫疲勞強度，即在一定溫度下所測得的疲勞強度。如3.高溫短時強度和高溫疲勞強度4.松弛穩(wěn)定性材料在恒變形的條件下，隨著時間的延長，彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛曲線應(yīng)力松弛曲線第I階段：在開始階段應(yīng)力下降很快；第II階段：應(yīng)力下降逐漸減緩的階段；松弛極限：在一定的初應(yīng)力和溫度下，不再繼續(xù)發(fā)生松弛的剩余應(yīng)力；其原因是由于隨時間增長，一部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，即彈性?yīng)變不斷減小，所以零件中的應(yīng)力相應(yīng)地降低。應(yīng)力松弛看作是應(yīng)力不斷降低時的“多級”蠕變。應(yīng)力松弛試驗1）在規(guī)定溫度下，對試樣施加載荷2）保持初始變形量恒定情況下3）測定試樣上的應(yīng)力隨時間而降低的曲線

蠕變現(xiàn)象與應(yīng)力松弛現(xiàn)象1）蠕變現(xiàn)象是在溫度和應(yīng)力恒定的情況下，塑性變形隨時間的增加而不斷增加2）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

松弛穩(wěn)定性：金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能。常用金屬材料在一定溫度T和一定初應(yīng)力σ0作用下，經(jīng)規(guī)定時間t后的“殘余應(yīng)力”σ的大小作為松弛穩(wěn)定性的指標。4.影響蠕變性能的因素由蠕變斷裂機理可知：1）要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速度；2）要提高斷裂抗力，即提高持久強度，必須抑制晶界的滑動，也就是說要控制晶內(nèi)和晶界的擴散過程。（一）合金化學(xué)成分的影響耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點高、自擴散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。熔點愈高的金屬(Cr、W、Mo、Nb)，自擴散愈慢；層錯能降低，易形成擴展位錯，位錯難以交滑移、攀移；彌散相能強烈阻礙位錯的滑移與攀移；能增加晶界擴散激活能的添加元素(如硼及稀土)，則既能阻礙晶界滑動，又增大晶界裂紋的表面能。面心立方結(jié)構(gòu)的材料比體心立方結(jié)構(gòu)的高溫強度大。（二）冶煉工藝的影響降低夾雜物和冶金缺陷的含量；通過定向凝固工藝，減少橫向晶界，提高持久強度，因為在橫向晶界上容易產(chǎn)生裂紋。（三）熱處理工藝的影響珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝?；鼗饻囟葢?yīng)高于使用溫度100~150℃以上，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。奧氏體耐熱鋼或合金一般進行固溶處理和時效，使之得到適當(dāng)?shù)木Я６?，并改善強化相的?/p>