材料的高溫力學(xué)性能演示文稿

材料的高溫力學(xué)性能演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有36頁\編輯于星期五1第七章材料的高溫力學(xué)性能§7-1高溫蠕變性能§7-2其他高溫力學(xué)性能現(xiàn)在是2頁\一共有36頁\編輯于星期五2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(zhǎng)期服役的，如發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐、煉油設(shè)備等。它們對(duì)材料的高溫力學(xué)性能提出了很高的要求。正確地評(píng)價(jià)材料、合理地使用材料、研究新的耐高溫材料，成為上述工業(yè)發(fā)展和材料科學(xué)研究的主要任務(wù)之一。引言現(xiàn)在是3頁\一共有36頁\編輯于星期五3現(xiàn)在是4頁\一共有36頁\編輯于星期五4

溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響很大，而且材料的力學(xué)性能隨溫度的變化規(guī)律各不相同。如金屬材料隨著溫度的升高，強(qiáng)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。時(shí)間是影響材料高溫力學(xué)性能的另一重要因素，在常溫下，時(shí)間對(duì)材料的力學(xué)性能幾乎沒有影響，而在高溫時(shí)，力學(xué)性能就表現(xiàn)出了時(shí)間效應(yīng)。所謂溫度的高低，是相對(duì)于材料的熔點(diǎn)而言的，一般用“約比溫度(T／Tm)”來描述，其中，T為試驗(yàn)溫度，Tm為材料熔點(diǎn)，都采用熱力學(xué)溫度表示。當(dāng)T／Tm＞時(shí)為高溫，反之則為低溫?，F(xiàn)在是5頁\一共有36頁\編輯于星期五5§

7-1高溫蠕變性能材料在高溫下力學(xué)行為的一個(gè)重要特點(diǎn)就是產(chǎn)生蠕變。所謂蠕變就是材料在長(zhǎng)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。由于這種變形而最后導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。嚴(yán)格地講，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低溫時(shí)，蠕變效應(yīng)不明顯，可以不予考慮；當(dāng)約比溫度大于0.3時(shí)，蠕變效應(yīng)比較顯著，此時(shí)必須考慮蠕變的影響，如碳鋼超過300℃、合金鋼超過400℃，就必須考慮蠕變效應(yīng)。一、蠕變的一般規(guī)律現(xiàn)在是6頁\一共有36頁\編輯于星期五6§

7-1高溫蠕變性能

蠕變過程可以用蠕變曲線來描述。對(duì)于金屬材料和陶瓷材料，典型的蠕變曲線如圖7-1所示。OA線段是施加載荷后，試樣產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)變?chǔ)舘，不屬于蠕變。一、蠕變的一般規(guī)律現(xiàn)在是7頁\一共有36頁\編輯于星期五7§

7-1高溫蠕變性能曲線上任一點(diǎn)的斜率，表示該點(diǎn)的蠕變速率(ε=dε/dt）按照蠕變速率的變化，可將蠕變過程分為3個(gè)階段。一、蠕變的一般規(guī)律第Ⅰ階段；AB段，稱為減速蠕變階段(又稱過渡蠕變階段)。第Ⅱ階段：BC段，稱為恒速蠕變階段(又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段）。第Ⅲ階段：CD段，稱為加速蠕變階段(又稱為失穩(wěn)蠕變階段)?，F(xiàn)在是8頁\一共有36頁\編輯于星期五8§

7-1高溫蠕變性能蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而變化，如圖所示，在恒溫下改變應(yīng)力，或在恒定應(yīng)力下改變溫度，蠕變曲線都將發(fā)生變化。當(dāng)減小應(yīng)力或降低溫度時(shí)，蠕變第Ⅱ階段延長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)第Ⅲ階段。一、蠕變的一般規(guī)律現(xiàn)在是9頁\一共有36頁\編輯于星期五9§

7-1高溫蠕變性能當(dāng)增加應(yīng)力或提高溫度時(shí)，蠕變第Ⅱ階段縮短，甚至消失，試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進(jìn)入第Ⅲ階段而斷裂。一、蠕變的一般規(guī)律現(xiàn)在是10頁\一共有36頁\編輯于星期五10

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3個(gè)階段。第Ⅰ階段：AB段，為可逆形變階段，是普通的彈性變形，即應(yīng)力和應(yīng)變成正比；第Ⅱ階段：BC段，為推遲的彈性變形階段，也稱高彈性變形發(fā)展階段；第Ⅲ階段：CD段，為不可逆變形階段，是以較小的恒定應(yīng)變速率產(chǎn)生變形，到后期，會(huì)產(chǎn)生縮頸，發(fā)生蠕變斷裂?，F(xiàn)在是11頁\一共有36頁\編輯于星期五11§

7-1高溫蠕變性能

彈性變形引起的蠕變，當(dāng)載荷去除后，可以發(fā)生回復(fù)，稱為蠕變回復(fù)，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(yàn)條件不同時(shí)，蠕變曲線的3個(gè)階段的相對(duì)比例會(huì)發(fā)生變化，但總的特征是相似的。一、蠕變的一般規(guī)律現(xiàn)在是12頁\一共有36頁\編輯于星期五12§

7-1高溫蠕變性能

1.蠕變變形機(jī)理材料的蠕變變形機(jī)理主要有位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散和晶界滑動(dòng)，對(duì)于高分子材料還有分子鏈段沿外力的舒展。（1）位錯(cuò)滑移蠕變機(jī)理材料的塑性形變主要是由于位錯(cuò)的滑移引起的，在一定的載荷作用下，滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到一定程度后，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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。二、蠕變變形及斷裂機(jī)理現(xiàn)在是13頁\一共有36頁\編輯于星期五13a）預(yù)約障礙物在新的滑移面上運(yùn)動(dòng)b）與臨界滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)反應(yīng)c）形成小角度晶界d）消失于大角度晶界現(xiàn)在是14頁\一共有36頁\編輯于星期五14在蠕變第Ⅰ階段，由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生變形硬化，使位錯(cuò)源開動(dòng)的阻力和位錯(cuò)滑動(dòng)的阻力逐漸增大，致使蠕變速率不斷降低，因而形成了減速蠕變階段。在蠕變的第Ⅱ階段，由于形變硬化的不斷發(fā)展，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)回復(fù)的發(fā)生，使材料不斷軟化。當(dāng)形變硬化和回復(fù)軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，蠕變速率遂為一常數(shù)，因此形成了恒速蠕變階段?，F(xiàn)在是15頁\一共有36頁\編輯于星期五15（2）擴(kuò)散蠕變機(jī)理在較高溫度下，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，它們的擴(kuò)散是隨機(jī)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(yīng)力場(chǎng)，原子和空位在不同位置具有不同的勢(shì)能，它們會(huì)有高勢(shì)能位向低勢(shì)能位進(jìn)行定向擴(kuò)散?？瘴坏臄U(kuò)散引起原子反向擴(kuò)散，從而引起晶粒沿拉伸軸方向伸長(zhǎng)，垂直與拉伸軸方向收縮，致使晶體產(chǎn)生蠕變?，F(xiàn)在是16頁\一共有36頁\編輯于星期五16擴(kuò)散蠕變機(jī)理示意圖空位擴(kuò)散方向原子擴(kuò)散方向現(xiàn)在是17頁\一共有36頁\編輯于星期五17（3）晶體滑動(dòng)蠕變機(jī)理晶界在外力的作用下，會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)變形，在常溫下，可以忽略不計(jì)，但在高溫時(shí)，晶界的相對(duì)滑動(dòng)可以引起明顯的塑性形變，產(chǎn)生蠕變。（4）粘彈性機(jī)理高分子材料在恒定應(yīng)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(dāng)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?fàn)顟B(tài)向卷曲狀態(tài)回復(fù)，表現(xiàn)為高分子材料的蠕變回復(fù)特性?，F(xiàn)在是18頁\一共有36頁\編輯于星期五18§

7-1高溫蠕變性能

2.蠕變斷裂機(jī)理蠕變斷裂有兩種情況：一種情況是對(duì)于那些不含裂紋的高溫機(jī)件，在高溫長(zhǎng)期服役過程中，由于蠕變裂紋相對(duì)均勻地在機(jī)件內(nèi)部萌生和擴(kuò)展，顯微結(jié)構(gòu)變化引起的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導(dǎo)致的斷裂；另一種情況是高溫工程機(jī)件中，原來就存在裂紋或類似裂紋的缺陷，其裂紋是主裂紋擴(kuò)展引起的，屬于高溫?cái)嗔蚜W(xué)的范疇。二、蠕變變形及斷裂機(jī)理現(xiàn)在是19頁\一共有36頁\編輯于星期五19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(qiáng)度都隨之降低，但后者降低更快，造成高溫下晶界的相對(duì)強(qiáng)度較低的緣故。通常將晶界和晶內(nèi)強(qiáng)度相等的溫度稱為等溫強(qiáng)度。晶界斷裂有兩種模型：一種是晶界滑動(dòng)和應(yīng)力集中模型，另一種是空位聚集模型?，F(xiàn)在是20頁\一共有36頁\編輯于星期五20鍥型裂紋空洞形成示意圖現(xiàn)在是21頁\一共有36頁\編輯于星期五21耐熱合金中的鍥型裂紋現(xiàn)在是22頁\一共有36頁\編輯于星期五22晶界曲折和夾雜物出空洞形成示意圖現(xiàn)在是23頁\一共有36頁\編輯于星期五23二、蠕變變形及斷裂機(jī)理金屬材料蠕變斷裂斷口：宏觀特征為：一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，使斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；另一個(gè)特征是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋．微觀特征為：主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂．現(xiàn)在是24頁\一共有36頁\編輯于星期五24

1.蠕變極限蠕變極限表示材料對(duì)高溫蠕變變形的抗力，是選用高溫材料、設(shè)計(jì)高溫下服役機(jī)件的主要性能依據(jù)之一。蠕變極限的表示方法有兩種：第一種方法，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(yīng)力，定義為蠕變極限。第二種方法，在給定溫度和時(shí)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。三、蠕變性能指標(biāo)現(xiàn)在是25頁\一共有36頁\編輯于星期五25

利用線性回歸分析法求出n和A之值后，再用內(nèi)插或外推法

即可求出規(guī)定輸變速率下的外加應(yīng)力，即為蠕變極限．由此可見，用較大的應(yīng)力、較短時(shí)間作出的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，可用外推法求出較小應(yīng)力、較長(zhǎng)時(shí)間的蠕變極限，從而節(jié)約大量的試驗(yàn)時(shí)間?，F(xiàn)在是26頁\一共有36頁\編輯于星期五26

2.持久強(qiáng)度某些在高溫下工作的機(jī)件，蠕變變形很小或?qū)ψ冃我蟛粐?yán)格，只要求機(jī)件在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂。在這種情況下，要用持久強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)材料、設(shè)計(jì)機(jī)件的主要依據(jù)。持久強(qiáng)度是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。材料的持久強(qiáng)度是實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，持久強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)間通常比蠕變極限試驗(yàn)要長(zhǎng)得多，可達(dá)幾萬至幾十萬h?，F(xiàn)在是27頁\一共有36頁\編輯于星期五27

3.松弛穩(wěn)定性材料在恒定變形的條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，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)力松弛的能力稱為松弛穩(wěn)定性。松弛穩(wěn)定性可以通過松弛試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力松弛曲線來評(píng)定，曲線是在規(guī)定溫度下，對(duì)試樣施加載荷，保持初始變形量恒定，測(cè)定試樣上的應(yīng)力隨時(shí)間而下降的曲線?，F(xiàn)在是28頁\一共有36頁\編輯于星期五28

1.內(nèi)在因素（1）化學(xué)成分材料的成分不同，蠕變的熱激活能不同。熱激活能高的材料，蠕變變形就困難，蠕變極限、持久強(qiáng)度、剩余應(yīng)力就高。對(duì)于金屬材料，如設(shè)計(jì)耐熱鋼及耐熱合金時(shí)，一般選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大和層錯(cuò)能低的元素及合金。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。四、影響蠕變的主要因素現(xiàn)在是29頁\一共有36頁\編輯于星期五29（2）組織結(jié)構(gòu)對(duì)于金屬材料，采用不同的熱處理工藝，可以改變組織結(jié)構(gòu)，從而改變熱激活運(yùn)動(dòng)的難易程度。陶瓷材料，當(dāng)采用不同的工藝，獲得含有不同第二相組織時(shí)，其蠕變的機(jī)理會(huì)發(fā)生改變?，F(xiàn)在是30頁\一共有36頁\編輯于星期五30（3）晶粒尺寸對(duì)于金屬材料，當(dāng)使用溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)化晶?？梢蕴岣咪摰膹?qiáng)度；當(dāng)使用溫度高于等強(qiáng)溫度時(shí)，粗化晶?？梢蕴岣咪摰娜渥儤O限和持久強(qiáng)度。對(duì)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(jī)制不同，當(dāng)晶粒尺寸很大時(shí)，蠕變速率受位錯(cuò)滑動(dòng)和晶內(nèi)擴(kuò)散的控制，晶粒尺寸小時(shí)，其蠕變的機(jī)理復(fù)雜?，F(xiàn)在是31頁\一共有36頁\編輯于星期五31

2.外部因素（1）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)力下蠕變速率高，低應(yīng)力下蠕變速率低。（2）溫度蠕變是熱激活過程，蠕變激活能和擴(kuò)散激活能的相對(duì)關(guān)系，影響蠕變機(jī)制。對(duì)于高分子材料，隨溫度的升高，蠕變變形量增加，蠕變速率增大。四、影響蠕變的主要因素現(xiàn)在是32頁\一共有36頁\編輯于星期五32§

7-2其他高溫力學(xué)性能

在特殊情況下，如火箭、導(dǎo)彈上的零件工作時(shí)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(shí)，需要了解鋼材的熱塑性。高溫拉伸試驗(yàn)的拉伸速率對(duì)性能的影響比室溫時(shí)大得多，要求試樣在屈服前的應(yīng)變速率在。一、高溫短時(shí)拉伸性能現(xiàn)在是33頁\一共有36頁\編輯于星期五33§

7-2其他高溫力學(xué)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)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(shí)，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稱為粘性流動(dòng)變形，也稱為粘性變形，材料發(fā)生在粘性變形的能力稱為粘性。二、高溫下材料的粘性流動(dòng)性能現(xiàn)在是34頁\一共有36頁\編輯于星期五34§

7-2其他高溫力學(xué)性能

硬度是反應(yīng)材料抵抗局部塑性變形能力的力學(xué)